close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

367.Проектирование нежестких дорожных одежд

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
И.А. ГЛАДЫШЕВА, Т.В. САМОДУРОВА,
А.В. ЕРЕМИН, О.В. ГЛАДЫШЕВА
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕЖЕСТКИХ
ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
Учебное пособие
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области
железнодорожного транспорта и транспортного строительства
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы»
направления подготовки «Транспортное строительство»
Воронеж – 2010
УДК 625.855:625.72(083.75)
ББК 39.112
Г523
Авторский коллектив:
И.А. Гладышева, Т.В. Самодурова, А.В. Еремин, О.В. Гладышева
Г523
Проектирование нежестких дорожных одежд [Текст]:учеб. пособие /
И.А. Гладышева [ и др.]; под общ.ред. Т.В. Самодуровой; Воронеж.
гос. арх.-строит. ун-т. - Воронеж, 2010. – 156 с.
ISBN 978-5-89040-252-3
Излагаются основные положения по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд, принципы их проектирования. Рассматривается порядок расчета дорожных
одежд по различным критериям.
Приводится необходимые справочные и нормативные данные, основные формулы,
таблицы и номограммы для проведения расчетов.
Предназначено для выполнения курсового проектирования студентами четвертого и
пятого курсов дневного обучения, пятого, шестого курсов заочного обучения, для дипломного проектирования и для самостоятельной работы студентов, обучающихся по специальностям 270205 - «Автомобильные дороги и аэродромы» и 270201 - «Мосты и транспортные
тоннели».
Ил. 41. Табл. 62. Библиогр.: 55 назв.
УДК 625.855:625.72(083.75)
ББК 39.112
Рецензенты: кафедра изысканий и проектирования аэродромов военного
авиационного инженерного университета (г. Воронеж),
А.Ф. Зубков, докт. техн. наук, зав. кафедрой «Городское
строительство и автомобильные дороги»
ГОУВПО Тамбовский государственный технический университет
ISBN 978-5-89040-252-3
© И.А. Гладышева, Т.В.Самодурова,
А.В. Еремин, О.В. Гладышева, 2010
© Воронежский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2010
ВВЕДЕНИЕ
Развитие автомобильного транспорта требует расширения объема и повышения качества строительства автомобильных дорог в России, а также обеспечения сохранности существующей сети автомобильных дорог. Наиболее дорогим конструктивным элементом автомобильной дороги является дорожная
одежда.
Перед изыскателями, проектировщиками и строителями стоит задача создать при оптимальных затратах надежные и долговечные сооружения дорожных одежд, способные обеспечить беспрепятственное движение транспортных
потоков с расчетными скоростями в любой период года.
Проектирование дорожных одежд нежесткого типа включает большой
комплекс расчетов, важнейшей частью которых являются прочностные расчеты, проверка конструкций на морозоустойчивость, проектирование дренирующих слоев.
При этом большое значение имеет принятие конструктивно обоснованных, подтвержденных расчетами оптимальных решений.
В учебном пособии изложены теоретические основы и практические методы конструирования и расчета нежестких дорожных одежд, рассмотрен порядок расчетов на прочность по различным критериям, на морозоустойчивость
и проектирование устройств по осушению конструкций. Рассмотрены вопросы
проектирования усиления существующих дорожных одежд при капитальном
ремонте и реконструкции автомобильных дорог, автоматизации расчетов с использованием программы РАДОН.
Современные методы конструирования и расчета нежестких дорожных
одежд изложены в пособии в соответствии с действующими нормативными документами.
Приведены все необходимые справочные и нормативные данные, основные формулы, таблицы и номограммы для проведения расчетов, рассмотрен
подробный пример проектирования.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 653600 – «Транспортное строительство» по специальностям 270205 –
«Автомобильные дороги и аэродромы» и 270201 - «Мосты и транспортные
тоннели». Может быть использовано студентами при курсовом и дипломном
проектировании, а также для самостоятельной работы при изучении дисциплины «Основы проектирования автомобильных дорог», входящей в блок дисциплин специализации. Отдельные разделы пособия могут быть использованы при
изучении дисциплин «Экономико-математические методы проектирования
транспортных сооружений» и «Основы автоматизированного проектирования
транспортных сооружений»
3
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ РАСЧЕТА НЕЖЕСТКИХ
ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей на проезжей
части дороги устраивают дорожную одежду - твердую монолитную конструкцию из одного или нескольких конструктивных слоев, выполненных из разнородных материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию колес автотранспортных средств и погодно-климатических факторов.
Дорожная одежда занимает особое место в комплексе сооружений, которые входят в состав автомобильной дороги. От ее качества и состояния зависят
условия и скорости движения транспортных средств, важнейшие потребительские свойства дороги - ровность, прочность и шероховатость, а также безопасность движения.
Непрерывный рост движения как по интенсивности, так и по количеству
автомобилей повышенной грузоподъемности вызывает необходимость проектирования и строительства все более мощных и дорогостоящих дорожных конструкций. В связи с этим необходимо дальнейшее совершенствование методов
конструирования и расчета дорожных одежд, которые более полно учитывают
характер воздействующих на них факторов.
Дорожная одежда работает в сложных условиях и подвержена динамическим нагрузкам от транспортных средств, широкому диапазону изменения температуры в конструктивных слоях (от +50 до -50 0 С), многократному замораживанию и оттаиванию увлажненных дорожно-строительных материалов, избыточному увлажнению грунта земляного полотна.
Конструкции дорожной одежды чрезвычайно сложны для строгого математического описания их деформирования под влиянием транспортных
средств, атмосферных условий, длительного периода эксплуатации (жизненный
цикл дорожной конструкции составляет несколько десятков лет). В связи с этим
значительное место при исследованиях занимают экспериментальные работы в
дорожных лабораториях и обследования ранее построенных дорожных одежд.
Долгое время конструкции дорожной одежды назначали на основе опыта
работы ранее построенных дорог. До начала 30-х годов в СССР и других странах толщина нежестких дорожных одежд назначалась исключительно на основании имевшегося опыта. Но в 20-е годы прошлого столетия особую значимость приобрели вопросы правильного подбора толщины слоев в конструкции
дорожной одежды с учетом природных условий и интенсивности движения.
На определенном этапе потребовался научный подход к их расчету с
применением вяжущих материалов. Возникло направление исследований – механика дорожной одежды, изучающая свойства дорожно-строительных материалов, влияние природно-климатических условий на работу дорожных конструкций.
На огромной территории России, с широким разнообразием природноклиматических условий, различиями в интенсивности и составе движения,
4
нельзя применять однотипные инженерные решения. Разработка рациональных
и оптимальных конструкций возможна только на основе теоретического анализа закономерностей, которым подчиняются дорожные одежды под влиянием
действующих на них факторов. Это явилось одной из причин того, что в СССР
раньше, чем в других странах, начались теоретические исследования в области
механики нежестких и жестких дорожных одежд. Они сопровождались значительным объемом лабораторных и полевых опытно-экспериментальных работ.
У истоков этих исследований стояли крупные российские ученые: Иванов Н.Н.,
Бируля А.К., Бабков В.Ф., Корсунский М.Б. [6 - 11].
Основная цель проектирования дорожных одежд состояла в том, чтобы,
задаваясь параметрами транспортного потока, установить, сколько и каких слоев различных материалов необходимо уложить на земляное полотно дороги с
тем, чтобы в течение срока службы (15-30 лет) не потребовалось капитального
ремонта конструкции. Для достижения этой цели решался комплекс научных
задач [12].
1. Изучение параметров транспортных потоков. Известно сезонное
изменение прочности дорожных одежд из-за изменения температуры и влажности, что делает необходимым прогнозирование интенсивности и состава движения для оценки процессов накопления остаточных деформаций покрытий
дорожных одежд в течение жизненного цикла. Знание закономерностей изменения параметров транспортных потоков позволяет более точно и объективно
оценивать усталость материалов в процессе накопления остаточных деформаций.
2. Исследование температурного режима конструкции дорожной
одежды в зависимости от климатических особенностей места расположения автомобильной дороги. Известна зависимость физико-механических свойств материалов, изготовленных с применением битума, от температуры. Сопротивляемость таких материалов воздействиям нагрузок снижается с повышением
температуры, уменьшается их прочность на сжатие и сдвигоустойчивость. Резкое изменение температуры асфальтобетонных покрытий приводит к образованию температурных трещин. Многократное замораживание и оттаивание ведет
к снижению прочности практически всех материалов, применяемых в слоях дорожной одежды. Количественные оценки температурного режима возможны на
основе исследования нестационарных случайных процессов изменения температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации и их прогнозирования на
срок службы дорожной одежды.
3. Определение максимальной влажности и продолжительности
опасного состояния земляного полотна [13]. При расчете дорожных одежд
выбирают наиболее опасное состояние конструкции, которое наступает в период весеннего оттаивания грунта. Основные физико-механические свойства
грунта земляного полотна зависят от его влажности. Учитывая значительные
различия климатических условий территории страны, при решении этой задачи
используют обобщенные данные многолетних наблюдений за процессами про-
5
мерзания и влагонакопления в земляном полотне. Такие наблюдения проводят
на специально оборудованных постах. Математические моделирование этих
процессов служит основой для прогноза изменения влажности и глубины промерзание грунтов на срок службы дорожной одежды.
4. Определение параметров напряженно-деформированного состояния конструкции дорожных одежд. При решении этой задачи изучаются воздействия динамических и статических нагрузок от транспортных средств и изменяющихся во времени атмосферных воздействий [14-17]. Разрабатываются
математические модели системы «конструкция дорожной одежды – земляное
полотно» на основе методов математической теории вязкоупругости, упругопластического деформирования сплошной среды, современный математический аппарат решения сложных краевых задач механики сплошной среды. Инженерные расчеты при решении практических задач основаны на существенных упрощениях описания свойств материалов, условий нагружения конструкции, контактных условий на границах слоев, общих граничных условий.
5. Выработка критериев расчета. Повреждения конструктивных слоев
дорожной одежды могут происходить из-за чрезмерных напряжений (трещины,
волны), абразивного воздействия автомобильных шин (истирание), многократного замораживания и оттаивания, неоднородности грунтов земляного полотна,
неравномерного морозного пучения. Решение данной задачи идет двумя параллельными путями. Первый – выработка специальных обязательных требований
к дорожно-строительным материалам в виде норм или стандартов [18-20]. Второй путь состоит в поиске универсальных критериев и расчетных схем для проектирования конструкций дорожных одежд.
6. Учет неоднородности условий по длине дороги. По длине дороги изменяются геологические условия, типы грунтов, условия поверхностного стока.
Таким образом, дорожную одежду нельзя проектировать с использованием
одинаковых параметров. Следует учитывать возможные изменения параметров
при оценке напряженно-деформированного состоянии конструкций дорожных
одежд, делать обобщенные оценки параметров и прогнозировать распределение
возможных повреждений конструкции на участках большой протяженности.
Большим коллективом ученых под руководством проф. Иванова Н.Н. был
разработан и впервые опубликован в 1943 году метод расчета нежестких дорожных одежд, названный «методом СоюздорНИИ». В основу метода была положена зависимость распределения вертикальных напряжений по глубине. Метод позволял определять общую толщину дорожной одежды в зависимости от
свойств грунтов земляного полотна, нагрузки на колесо, коэффициента концентрации напряжений и коэффициента, учитывающего влияние интенсивности
движения [21-25]. Он был признан наиболее передовым из всех известных в
мировой практике. За рубежом его часто называют «метод Иванова».
Дальнейшие исследования в области конструирования и расчета дорожных одежд позволили существенно развить методику расчета. В результате
многолетних работ в СССР сложилось несколько научных коллективов, рабо-
6
тающих в области конструирования и расчета дорожных одежд, имевших самостоятельную научную направленность и получивших в процессе исследований
практические выводы для производства. Однако их объединяло то, что в основу
всех теоретических исследований был положен единый принцип работы капитальных многослойных дорожных одежд под действием кратковременных повторяющихся нагрузок в упругой стадии. Профессор Бируля А.К. отмечал, что
теоретические и экспериментальные исследования по вопросам конструирования и расчета дорожных одежд необходимо проводить на основе разных научных направлений и для разных природных условий. Эти исследования должны
способствовать выдвижению научно-технических идей в области новых дорожно-строительных материалов, принципов конструирования и методов расчета.
На всех этапах развития дорожной науки в СоюздорНИИ большое внимание уделялось конструированию дорожных одежд, созданию новых дорожно-строительных материалов (битумов, улучшенных полимерными добавками,
каменных материалов, укрепленныех золами уноса, молотыми шлаками и т.д.),
использованию в дорожном строительстве различных местных материалов. Ленинградский филиал СоюздорНИИ разработал метод назначения толщины дорожных одежд с усовершенствованными покрытиями. Здесь получен ряд решений в области упругих многослойных систем, дана методика расчета предельного равновесия при сдвиге в грунте и слабосвязных материалах [26, 27].
Многие исследования в области дорожных одежд были проведены на их
крупномасштабных моделях в грунтовом канале СоюздорНИИ. Специальный
кольцевой стенд, оборудованный приборами и датчиками, позволял изучить
поведение моделей под воздействием подвижной нагрузки [12].
В Московском автомобильно-дорожном институте был разработан метод
расчета толщины дорожных одежд на основе принципа нормативной упругой
деформации под воздействием автомобильных нагрузок в наиболее неблагоприятный период года (весной). Рассматривались два условия нагружения: статическое действие колеса автомобиля и кратковременное нагружение в течение
сотых долей секунды, близкое к воздействию движущегося колеса [28].
В Харьковском автодорожном институте были разработаны два метода
расчета дорожных одежд: а) метод, который исходит из условия, что модули
упругости непрерывно уменьшаются по глубине; б) метод, который исходит из
условия, что модули упругости увеличиваются с глубиной. Во всех методах
верхние монолитные (связные) слои нежесткой дорожной одежды рассчитывают на изгиб с учетом наибольшей нагрузки на колесо и усталости от повторяющихся воздействий автомобиля [29].
Экспериментальные и теоретические исследования влияния неровностей
покрытия на динамическое воздействие транспортных средств проводились в
США, Франции, Австралии, Англии, ФРГ.
В нашей стране много работ посвящено изучению транспортноэксплуатационных и прочностных свойств дорожных конструкций, надежности
их работы в различных условиях эксплуатации, оптимизации проектирования
7
дорожных одежд [30-35]. На основании этих исследований была создана научная база, необходимая для оценки эксплуатационного состояния автомобильной дороги. Дальнейшее ее развитие происходит по пути уточнения требований
к автомобильной дороге в целом и к дорожной одежде в процессе эксплуатации, детального учета работы конструктивных слоев под нагрузкой, влияния
свойств применяемых материалов на состояние дорожной одежды.
Одним из наиболее важных направлений, изучаемых многими учеными,
является исследование работы покрытий дорожных одежд нежесткого типа –
асфальтобетонов. Значительный вклад в решение этих вопросов внесли Радовский Б.С., Богуславский А.М., Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., [36].
В связи с тем, что свойства слоев основания, наряду с покрытием, являются определяющими в формировании прочностных показателей дорожных
конструкций, большое количество исследований посвящено установлению
свойств оснований из местных малопрочных материалов, укрепленных неорганическими вяжущими, а также использование шлаковых материалов для асфальтобетонов. Такие работы проводились в конце прошлого столетия в Отраслевой научно - исследовательской дорожной лаборатории Воронежского инженерно-строительного института (ОНИДЛ ВИСИ) Они проводились Самодуровым С.И. [37, 38], Матвеевым Е.В. [39], Ереминым В.Г. [40], Расстегаевой Г.А.
[41] и др.
В последние десятилетия возрос интерес ученых к нетрадиционным конструкциям дорожных одежд, в которых имеются слои из объемных георешеток
и плоских геосеток [12]. Они позволяют снизить толщину конструктивного
слоя и повысить долговечность конструкции дорожной одежды. Большинство
результатов исследований использованы в документах, составляющих нормативную базу с области дорожных одежд [1-3, 38-46 ]. Многие положения научных исследований использованы в действующих в настоящее время Отраслевых дорожных нормах ОДН 218.046-2001 и Международных нормах МОДН 22001 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [2, 3]. Вопросы проектирования нежестких дорожных одежд изложены в учебных пособиях, рекомендованных Учебно-методическим объединением для студентов дорожных специальностей [51-55].
Вопросы для самопроверки
1. Какие факторы оказывают влияние на работу дорожных одежд?
2. Для каких целей при проектировании дорожных одежд проводятся исследования параметров транспортного потока?
3. Как влияет температурный режим на работу конструкции дорожной одежды?
4. Какой определяющий принцип положен в основу всех научных исследований нежестких дорожных одежд?
5. Какие научные исследования в области дорожных одежд проводились в
ВИСИ ?
8
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖДАХ
2.1. Классификация дорожных одежд
Дорожная одежда – многослойная конструкция (в отдельных случаях
однослойная), воспринимающая нагрузку от транспортных средств и передающая ее на грунтовое основание или подстилающий грунт [47].
Большое разнообразие конструкций дорожных одежд, применяемых в настоящее время, затрудняет создание их единой простой классификации из-за
многообразия природных условий, местных материалов, а также из-за нестандартности большинства дорожно-строительных материалов.
Наиболее распространены классификации дорожных одежд по условиям
работы под нагрузкой от автомобилей, а также по типам и видам дорожных покрытий.
Дорожные одежды по механическим свойствам (характеру работы под
нагрузкой) условно делят на две группы: жесткие и нежесткие.
Жесткими называют дорожные одежды, главным конструктивным элементом которых является цементобетонная или железобетонная плита, лежащая в покрытии или основании. Прочность и деформативные свойства цементобетона практически не зависят от температуры, он хорошо сопротивляется
растягивающим напряжениям при изгибе, возникающим от временных нагрузок. Расчетная схема жесткой дорожной конструкции – плита конечных размеров, лежащая на упругом основании.
Нежесткие дорожные одежды – одежды со слоями из разного вида асфальтобетонов (дегтебетонов), материалов и грунтов, укрепленных различными
вяжущими, а также из слабосвязанных зернистых материалов (щебня, гравия,
шлака). Расчетная схема нежесткой дорожной конструкции – упругое полупространство, равномерно нагруженное по площади круга. Прочность слоев, содержащих органическое вяжущее, зависит от температуры окружающей среды.
В настоящее время как в России, так и за рубежом наибольшее распространение имеют нежесткие дорожные одежды.
Эксплуатационные качества дорожных одежд определяются, в основном,
покрытиями, которые могут быть разделены на следующие основные конструктивные типы [4]:
- асфальтобетонные покрытия;
- покрытия из щебня и гравия, обработанного органическими вяжущими
материалами (смешением на дороге или в установке, с пропиткой, полупропиткой);
- щебеночные покрытия;
- покрытия из естественного гравия или подобранных гравийных смесей, местных малопрочных материалов, шлаков (неукрепленных или
укрепленных различными вяжущими);
9
- покрытия из укрепленных грунтов;
- цементобетонные покрытия;
- мостовые;
- естественные грунтовые дороги.
В зависимости от обеспечиваемой степени удобства движения дорожные
покрытия делят на два вида - усовершенствованные (капитальные и облегченные) и переходные (переходные и низшие). Классификация типов дорожных
одежд и видов дорожных покрытий приведена в табл.2.1.
Таблица 2.1
Классификация типов дорожных одежд и видов покрытий
Типы
дорожных
одежд
Капитальные
Облегченные
Переходные
Низшие
Виды покрытий,
материал и способы укладки
Усовершенствованные покрытия
из горячих асфальтобетонных смесей
а) из горячих асфальтобетонных смесей
б) из холодных асфальтобетонных смесей
в) из органоминеральных смесей с жидкими органическими вяжущими; с жидкими органическими вяжущими совместно с минеральными; с вязкими, в том числе
эмульгированными органическими вяжущими совместно с минеральными; из каменных материалов, обработанных битумом по способу смешения на дороге
или методом пропитки; черного щебня, приготовленного в установке и уложенного по способу заклинки;
из пористой и высокопористой асфальтобетонной смеси с поверхностной обработкой; из прочного щебня с
двойной поверхностной обработкой
Переходные покрытия
из щебня прочных пород, устроенные по способу заклинки без вяжущих; из грунтов и малопрочных каменных материалов, укрепленных вяжущими; булыжного и колотого камня (мостовые)
из щебеночно-гравийно-песчаных смесей; малопрочных каменных материалов и шлаков; грунтов, укрепленных или улучшенных различными местными материалами; древесных материалов и др.
Категория
дорог
I-II
IIIIV
IV
V
Выбор типа дорожной одежды при проектировании автомобильной дороги является сложной технико-экономической задачей. Решение этой задачи получают путем сравнения вариантов дорожных конструкций по экономическим
показателям, которые учитывают не только стоимость их строительства, но и
10
расходы при эксплуатации дороги (содержание и ремонт), а также расходы на
перевозку пассажиров и грузов, если варианты конструкции дорожной одежды
обеспечивают неодинаковые условия движения в течение срока службы.
Для принятия предварительного решения о целесообразности применения
конструкций дорожных одежд различных типов используют данные об интенсивности движения, в зависимости от которой существуют сферы их эффективного применения (см. табл. 2.1). Нормативными документами рекомендуется:
− дорожные одежды капитального типа проектировать на дорогах I-а, I-б, Iв, II категорий и при обосновании на дорогах III категории;
− дорожные одежды облегченного типа – на дорогах III категории и при
обосновании на дорогах IV категории;
− дорожные одежды переходного типа – на дорогах IV категории; низшего
типа – на дорогах V категории.
2.2. Конструктивные слои нежесткой дорожной одежды
Конструктивный слой – каждый слой дорожной одежды, состоящий из
однородных материалов и отличающийся от соседних слоев видом материала,
его прочностью и составом [47].
В дорожной одежде различают несколько конструктивных слоев. Схема
дорожной конструкции и названия конструктивных слоев приведены на рис.2.1.
1
2
Слой износа
Покрытие Основной слой покрытия
Верхний слой
основания
Средний слой
основания
3
4
5
6
Основание
Нижний слой
основания
Дополнительный
слой
основания
Рис.2.1. Конструктивные
слои дорожных одежд:
1 – поверхностная обработка; 2 – мелкозернистый асфальтобетон; 3 – крупнозернистый асфальтобетон;
4 – щебень, обработанный
вяжущими материалами;
5 – щебень; 6 - песок
Грунт земляного полотна
(подстилающий грунт)
Покрытие – верхний, наиболее прочный, относительно тонкий слой дорожной одежды, воспринимающий усилия от колес автомобилей и непосредственно подвергающийся воздействию атмосферных факторов. В связи с тем, что
покрытие устраивают из наиболее дорогостоящих материалов, ему придают
минимально допустимую толщину.
11
Покрытие обеспечивает необходимые эксплуатационные качества дороги
(ровность, шероховатость). Оно должно обладать хорошим сопротивлением износу и возникновению пластических деформаций от вертикальных и горизонтальных усилий. Поверхность покрытия должна быть ровной и обеспечивать
хорошее сцепление с ней колеса автомобиля. В населенных пунктах покрытие
должно отвечать повышенным требованиям по бесшумности при движении,
беспыльности, легкости очистки. Покрытие может включать слой износа, который периодически возобновляется в процессе эксплуатации и не входит в число
конструктивных слоев, учитываемых при расчете дорожной одежды. Поверх
покрытий, не обладающих достаточной водонепроницаемостью и сопротивлением истиранию, устраивают тонкие защитные слои (слои поверхностной обработки) путем розлива органических вяжущих материалов с засыпкой одномерным мелким щебнем. Поверхностную обработку применяют также для повышения шероховатости гладких покрытий в процессе эксплуатации.
Основание – несущая прочная часть дорожной одежды, расположенная
под покрытием и обеспечивающая совместно с покрытием перераспределение
напряжений в конструкции и снижение их величины в грунте рабочего слоя
земляного полотна (подстилающем грунте).
Основание предназначено для передачи и распределения давления на
расположенные ниже дополнительные слои дорожной одежды и на грунт земляного полотна и должно быть устойчивым против сдвига и изгиба. Основание
не подвергается непосредственному воздействию колес автомобилей, а влияние
погодных факторов передается на него в несколько смягченном виде. Поэтому
для устройства основания можно использовать материалы меньшей прочности,
чем в покрытии и в слое износа.
Следует различать несущую часть основания (несущее основание) и дополнительные слои основания.
Несущее основание может состоять из одного или нескольких слоев.
Верхние слои основания устраивают из более прочных материалов. Несущая
часть основания должна обеспечивать прочность дорожной одежды и быть морозоустойчивой.
При выборе материала для верхнего слоя основания необходимо учитывать тип дорожной одежды, вид покрытия, а также деформационные и теплофизические свойства материалов и грунтов, укрепленных вяжущими.
Асфальтобетонную часть несущего основания следует предусматривать
однослойной. Двухслойное асфальтобетонное основание можно применять
только при необходимости использования в нижнем слое асфальтобетона с пониженной сдвигоустойчивостью (высокопористый, песчаный). В этом случае
толщина асфальтобетонных слоев должна быть не менее 12 см.
Для нижнего слоя основания используют зернистые материалы: щебень,
гравий, щебеночно- или гравийно-песчаные смеси, а также малопрочные материалы и грунты, укрепленные неорганическим вяжущим.
12
В районах, недостаточно обеспеченных стандартными каменными материалами, целесообразно применять местные каменные материалы, отходы промышленности и грунты, укрепленные неорганическим вяжущим (цементом, известью, активными золами-уноса и др.)
Дополнительные слои основания укладывают между несущим основанием и подстилающим грунтом. Их предусматривают на участках земляного
полотна с неблагоприятными климатическими и грунтово-гидрологическими
условиями. Эти слои совместно с покрытием и основанием должны обеспечивать необходимые морозоустойчивость и дренирование конструкции и создавать условия для снижения толщины слоев из дорогостоящих материалов. В
соответствии с основной функцией, которую выполняет дополнительный слой,
его называют морозозащитным, теплоизолирующим, дренирующим.
К дополнительным слоям и прослойкам относятся также гидро- и пароизолирующие, капилляропрерывающие, противозаиливающие и другие слои.
Дополнительные слои устраивают из песка и других местных материалов,
которые используются в естественном состоянии или укрепляются органическими, минеральными или комплексными вяжущими. В этих слоях могут быть
использованы различные укрепленные смеси с добавками пористых заполнителей, а также различного рода специальные индустриально выпускаемые материалы (геотекстиль, пенопласт, полимерная пленка и т.д.). При назначении дополнительных слоев нужно учитывать, что при строительстве они должны
обеспечивать движение по ним построечных транспортных средств.
Рабочий слой земляного полотна (подстилающий грунт) – верхняя часть
земляного полотна, находящаяся в пределах от низа дорожной одежды до 2/3
глубины промерзания, но не менее 1,5 м от поверхности покрытия. Он должен
быть тщательно уплотнен и спланирован.
На подстилающий грунт передается и распределяется все давление от автотранспортных подвижных нагрузок, и на него существенно воздействуют
природные факторы, поэтому он является важным ответственным элементом
конструкции дорожной одежды.
Повышение сопротивления подстилающего грунта внешним нагрузкам,
предотвращение увлажнения и возникновения разуплотнения его вследствие
морозного пучения, а также осушение и обеспечение постоянства водного режима земляного полотна способствует увеличению прочности, долговечности и
экономичности дорожной одежды. Поэтому дорожную одежду и земляное полотно необходимо проектировать совместно – комплексно.
2.3. Требования к дорожной одежде
Надежность, работоспособность и техническое состояние автомобильной
дороги в процессе эксплуатации определяют ее технико-эксплуатационные характеристики (ТЭХ АД). В процессе службы дороги и в отдельные сезоны года
эти показатели изменяются, ухудшаются при эксплуатации, если не применя-
13
ются своевременные меры по содержанию и ремонту дорог. Для обеспечения
движения автомобилей в любое время года с высокой скоростью и при малом
расходе топлива к дорожным одеждам и их покрытиям предъявляются следующие основные требования:
1. Прочность дорожной одежды - ее способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием напряжений, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от
нагрузок, приложенных к поверхности покрытия (транспортных средств) и изменяющихся погодно-климатических условий местности.
Расчет на прочность включает проверку прочности конструкции в целом
и прочности отдельных конструктивных слоев. Дорожную одежду считают
прочной, если под действием многократно повторяющихся нагрузок от движущихся транспортных средств она сохраняет в течение заданного срока сплошность и удовлетворяет транспортно-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к дороге соответствующей категории и ожидаемым в перспективе составу и интенсивности движения.
2. Надежность. Под надежностью дорожной одежды понимают вероятность безотказной работы конструкции в течение межремонтного периода. Отказ дорожной одежды по прочности характеризуется образованием различных
деформаций и разрушений (трещин, выбоин, просадок и т.д.). Дорожную одежду проектируют с требуемым уровнем надежности.
3. Экономичность. Экономичность дорожной конструкции определяют
по результатам сопоставления вариантов с оценкой экономической эффективности инвестиций по действующим нормативным документам. Основные экономические показатели должны учитывать как стоимость строительства дорожной одежды, так и затраты на ее содержание и ремонт в течение всего срока
службы.
4. Экологичность. Дорожная одежда должна удовлетворять основным
экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям (легкость удаления
пыли, грязи, бесшумность движения), что особенно важно в городах.
К дорожным покрытиям предъявляются требования, обеспечивающие на
весь период срока службы дорожных одежд основные техникоэксплуатационные качества автомобильной дороги. Они включают:
5. Ровность поверхности, необходимая для обеспечения движения автомобилей без ударов, толчков и колебаний с минимальным сопротивлением качению с высокой скоростью.
6. Шероховатость поверхности, обеспечивающая повышенный коэффициент сцепления колеса с покрытием, что необходимо для безопасности движения с высокой скоростью и надежного торможения в случае необходимости.
7. Беспыльность – отсутствие продуктов износа покрытия в виде пыли,
уменьшающей видимость и создающей неблагоприятные условия для пассажиров, грузов и частей автомобиля.
8. Устойчивость к воздействию атмосферных факторов.
14
2.4. Силы, действующие на дорожную одежду
В процессе эксплуатации на дорожную одежду от колес автотранспорта
передаются статические нагрузки от стоящего автомобиля и кратковременные (динамические) нагрузки от движущихся автомобилей.
Силы, действующие на дорожную одежду, представлены на рис. 2.2.
а)
б)
Q
MК
R
PК
Q
PР
R
T
Рис. 2.2. Силы, действующие на дорожную одежду: а) от стоящего колеса; б) от движущегося колеса
При статическом нагружении колесо передает на покрытие нагрузку Q,
которая в дорожной одежде вызывает вертикальное усилие. Нормальная реакция дороги R = Q приложена в центре колеса и в дорожной одежде вызывает
вертикальные напряжения (см. рис.2.2, а).
При движении автомобиля на его ведущем колесе дополнительно действует крутящий момент MK, который вызывает в плоскости следа колеса окружную силу PK, приложенную к площадке контакта шины с дорожным покрытием
и направленную в сторону, обратную движению. Сила PK вызывает горизонтальную реакцию дороги T = PK (см. рис. 2.2, б). Тяговое усилие PР вызывает
движение автомобиля. Вертикальная реакция дороги R в случае движущегося
колеса смещена по следу контакта в сторону движения.
Следовательно, при движении автомобиля от его колес на дорожную
одежду передаются вертикальные и горизонтальные усилия, вызывающие в дорожной одежде напряжения, эпюры распределения которых представлены на
рис. 2.3. Величины вертикальных σZ и горизонтальных σX напряжений зависят
от среднего давления колеса на покрытие рср.
Напряжения, возникающие в дорожной одежде, затухают с глубиной.
Вертикальные силы создают напряженное состояние в более глубоких
слоях дорожной одежды (см. рис. 2.3, а). Горизонтальные силы действуют, в
основном, в верхнем слое (покрытии) дорожной одежды (см. рис. 2.3, б). Такое
распределение напряжений позволяет проектировать дорожную одежду нежесткого типа как многослойную конструкцию, используя в отдельных слоях материалы различной прочности в соответствии с действующими усилиями.
15
а)
б)
Q
Q
1
2
X
3
4
5
6
Рис.2.3. Схема распределения напряжений от колес автомобилей в многослойной дорожной одежде: а – эпюра вертикальных напряжений
σZ; б – эпюра горизонтальных напряжений σX; 1 – покрытие; 2 –
основание; 3 – дополнительный слой основания; 4 – подстилающий грунт; 5 – напряжения в дорожной одежде; 6 – напряжения
в однородном грунте
Автомобиль взаимодействует с дорогой через пневматическое колесо.
Пневматик передает давление от колес на дорогу через упругую массу воздуха
в камере, а также частично (10-15%) используется и упругость резиновой покрышки. Площадь, по которой происходит соприкасание пневматика с покрытием, называют опорной поверхностью или площадкой контакта.
Современные отечественные автомобили снабжают пневматическими
шинами с внутренним давлением в пределах от 0,12 до 0,70 МПа. Однако среднее давление колеса (рср) на поверхность дороги из-за влияния жесткости шины
несколько выше, чем внутреннее давление воздуха в шине, и может быть рассчитано по формуле
pср = k ⋅ p0 ,
(2.1)
где p0 – эксплуатационное давление воздуха в шинах, МПа; k – коэффициент,
зависящий от конструкции шины (изменяется от 0,8 до 1,5; в среднем от 0,9 до
1,2).
Фактическое давление pф по площади контакта из-за наличия на поверхности беговой дорожки пневматических шин выпуклого рисунка (протектора)
несколько больше, чем среднее давление, и равно
pф = k1 ⋅ p0 ,
(2.2)
где k1 – коэффициент, зависящий от конструкции шины и рисунка протектора
(изменяется в зависимости от грузоподъемности автомобиля и колеблется в
пределах от 1,3 до 2,2; в среднем от 1,4 до 1,8).
16
Величина фактического давления колеса на дорогу имеет значение для
оценки горизонтальных усилий, возникающих в зоне контакта при торможении. От этих усилий зависит износ дорожных покрытий и образование на них
деформаций (например, характерных сдвигов асфальтобетонных покрытий, которые возникают летом в местах частых торможений у светофоров и на остановках общественного транспорта).
Площадь контакта пневматика с дорогой зависит от величины нагрузки
на колесо. Чем больше нагрузка на колесо, тем больше площадь контакта. Однако удельное давление по площади контакта почти не изменяется. Это объясняется тем, что передача давления от колеса на дорогу происходит через сжатый воздух, давление которого при изменении нагрузки на колесо в определенных пределах не меняется. Это очень важное свойство пневматика.
Площадь контакта пневматика имеет эллиптическую форму с отношением осей от 1:1,5 до 1:2,5. При расчетах давления пневматика на покрытие приближенно принимают форму площади контакта в виде круга, площадь которого
равновелика площади эллипса.
На рис.2.4 приведена схема следа пневматического колеса эллиптической
формы и круг, равновеликий ему по площади.
D2
D1
Рис.2.4. Эллиптическая форма следа пневматического колеса при контакте с покрытием и круг равновеликий ему по площади
2.5. Процессы, происходящие в дорожной одежде под нагрузкой,
предельные состояния
Под действием временных нагрузок от автомобилей в дорожной одежде и
грунте земляного полотна происходят обратимые или необратимые изменения
и деформации, от характера и величины которых зависит эксплуатационное состояние дороги.
Деформация нежестких дорожных одежд является результатом проявления ряда процессов, протекающих одновременно или следующих друг за другом. Схема деформации дорожной конструкции и образования чаши прогиба
представлена на рис.2.5.
17
1
D
3
9
3
8
3
2
9
5
D1
9
4
8
6
7
Рис.2.5. Схема образования чаши прогиба и разрушения нежестких дорожных одежд под колесом автомобиля: 1 – чаша прогиба; 2 –
зона сжатия одежды; 3 – зоны растяжения; 4 – поверхность среза
одежды; 5 – площадь передачи давления на грунт; 6 – уплотнение грунта в основании; 7 – направление сжатия грунта; 8 – выпирание грунта; 9 – трещины в одежде; Δ – величина прогиба
Под нагрузкой от колес автомобиля грунт в верхней части земляного полотна в пределах активной зоны сжимается, что приводит к прогибу дорожной
одежды по некоторой криволинейной поверхности с образованием так называемой «чаши прогиба» глубиной Δ. Если величина прогиба превышает допустимые значения, то возможно разрушение дорожной одежды. Чем больше толщина и жесткость дорожной одежды, тем на большую площадь распределяется
давление внешней нагрузки и, следовательно, тем меньше напряжения, передающиеся на грунт.
Под нагрузкой в дорожной одежде происходит сжатие материала в верхней части, то есть в зоне контакта с колесом, и растяжение в нижней части изогнувшихся конструктивных слоев, то есть в зоне контакта с грунтом земляного
полотна. При превышении растягивающими напряжениями предела прочности
материала в покрытии или основании образуются трещины. По периметру
площади контакта внешней нагрузки с дорожным покрытием действуют срезывающие напряжения. При больших нагрузках они могут вызвать пролом дорожной одежды (особенно в тех случаях, когда дорожная одежда имеет малую
толщину и слабые по прочности грунты земляного полотна). Пролом дорожной
одежды может происходить с выкалыванием ее части, находящейся под нагрузкой, в виде расширяющегося книзу усеченного конуса.
В конструктивных слоях основания дорожной одежды, устраиваемых из
несвязных и малосвязных (дискретных) материалов (щебня, песка, гравийного
материала и т.п.), а также в подстилающем грунте земляного полотна при превышении касательными напряжениями сопротивления сдвигу могут возникать
зоны пластического течения с выжиманием грунта из перенапряженной зоны.
18
Это приводит к быстрому накоплению пластических деформаций дорожной
одежды в целом, потере прочности и ее разрушению. Возможно появление
продольных трещин на покрытии.
Образование этих видов деформаций зависит от конструкции дорожной
одежды, материалов конструктивных слоев. Они меняются от характера приложения нагрузки, длительности ее действия, влажности и температуры конструктивных слоев дорожной одежды.
В соответствии со схемой (см. рис. 2.5) введем понятие упругого прогиба.
Упругий прогиб – вертикальная упругая деформация дорожной одежды в центре приложения расчетной нагрузки по следу (отпечатку) спаренных шин.
Экспериментально установлено, что для каждого типа дорожной одежды
существует своя критическая величина прогиба (ΔK). Критический прогиб –
это прогиб, при котором происходит разрушение дорожной одежды. Величина
критического прогиба по опытным данным в зависимости от типа дорожной
одежды составляет
ΔK = (0,035 – 0,065) D,
(2.3)
где D – расчетный диаметр следа колеса, см.
Средние значения критического прогиба в зависимости от типа покрытий
приведены в табл.2.2.
Таблица 2.2
Средние значения критического прогиба в зависимости от типа покрытий
Наименование типа покрытия
асфальтобетонные
щебеночные и гравийные, обработанные вязким
битумом
гравийные, обработанные жидким вяжущим
щебеночные покрытия, мостовые из булыжного и
колотого камня
цементогрунтовые
гравийные, грунтовые, обработанные жидким
битумом
Среднее значение
критического прогиба
0,035 D
0,040 D
0,045 D
0,050 D
0,040 D
0,060 D
В результате анализа вышеприведенных процессов и деформаций нежесткой дорожной одежды под нагрузкой установлено, что предельное состояние
при их разрушении наступает в трех случаях, схематично представленных на
рис.2.6.
19
а)
б)
в)
Q
Q
Q
Q
h
h
h
Рис.2.6. Предельные состояния при разрушении дорожной одежды:
а) I предельное состояние; б) II предельное состояние;
в) III предельное состояние
- I предельное состояние – появление разрывов в растянутой зоне нижней
поверхности дорожной одежды ;
- II предельное состояние – выкалывание под нагрузкой конуса из дорожной одежды;
- III предельное состояние – появление на поверхности покрытия неровностей.
При малых величинах отношения толщины дорожной одежды (h) и диаметра следа колеса (D) - h/D наиболее вероятно разрушение по I и III предельным состояниям. При больших отношениях h/D ранее других наступает II предельное состояние.
2.6. Работа дорожной одежды и грунта земляного полотна под
действием нагрузки от автомобилей
Дорожная одежда как наиболее важное и самое дорогое сооружение автомобильной дороги работает в тяжелых и сложных природных условиях под
воздействием переменных, кратковременных, быстродвижущихся нагрузок, в
обстановке постоянно изменяющегося водно-теплового режима.
Сопротивление нежестких дорожных одежд под действием нагрузки обусловливается, главным образом, сопротивлением грунтового основания (подстилающего грунта). Роль дорожной одежды сводится к передаче нагрузок на
грунт земляного полотна и распределения их на возможно большую площадь.
Установлено, что накопление деформаций при многократном нагружении
происходит более интенсивно, чем под действием постоянной нагрузки той же
величины за суммарно одинаковый промежуток времени. Интенсивность накопления деформаций также возрастает с ростом величины нагрузки.
Материалы слоев нежесткой дорожной одежды и подстилающие грунты
земляного полотна под действием повторяющихся нагрузок от автомобилей
20
могут работать в трех характерных стадиях деформации, представленных на
рис. 2.7.
Вертикальное смещение
(деформации)
Число приложений нагрузки, NP
I
II
III
1
2
Рис.2.7. Закономерности накопления деформаций дорожных одежд при
многократных нагружениях: 1 – остаточные деформации; 2 –
полная деформация
Линия I. Если нагрузки соответствуют расчетной прочности дорожной
одежды, а ее слои и грунт земляного полотна хорошо уплотнены, дорожная
одежда работает в стадии обратимых деформаций. Она испытывает только упругие прогибы. Лишь в начальный период после сдачи дороги в эксплуатацию
могут возникнуть остаточные деформации за счет доуплотнения земляного полотна и слоев дорожной одежды, которые в дальнейшем прекращаются и одежда испытывает только упругие деформации. Происходящее в процессе эксплуатации дороги незначительное накопление деформаций вызывается процессом
старения и износа материалов конструктивных слоев.
Линия II. При нагрузках, превышающих расчетные, или при временном
снижении прочности грунтов земляного полотна в весенний и осенний периоды
возникают постепенно накапливающиеся малые пластические деформации.
Следовательно, дорожная одежда работает в стадии малых пластических деформаций.
Линия III. При очень больших нагрузках или при значительном снижении прочности грунта в весенне-осенний период дорожная одежда работает в
стадии упруго-пластических деформаций. Если суммарное значение малых
пластических деформаций за период ослабления одежды превысит некоторое
допустимое значение, одежда разрушится.
21
В зависимости от требований, предъявляемых к дороге, расчет толщины
дорожной одежды можно вести из условия достижения заданного значения деформации.
Дорожные одежды с покрытиями капитальных типов должны работать в
стадии упругих деформаций и иметь достаточный запас прочности в неблагоприятные периоды года, когда грунт имеет наименьшую прочность. На дорогах
с усовершенствованными облегченными покрытиями дорожные одежды также
рассчитывают на работу без допущения накопления пластических деформаций,
но с меньшими запасами прочности, чем при покрытиях капитального типа.
Одежды с покрытиями переходных типов, восстановление ровности которых
легко осуществимо, рассчитывают, допуская некоторое накопление деформаций под действием движения автотранспорта.
В обеспечении прочности дорожных одежд как нежесткого, так и жесткого типов большую роль играет подстилающий грунт, который воспринимает
все давление транспортных нагрузок, передающихся через дорожную одежду.
От степени деформируемости подстилающего грунта и от его сопротивления внешним нагрузкам зависят прочность и ровность дорожной одежды.
Самое прочное капитальное покрытие теряет ровность, если его построить на
недостаточно неуплотненном и неоднородном по составу грунтовом основании.
Развитие деформаций в грунтовом основании как подстилающем слое
дорожной одежды зависит от характера явлений в грунтовом массиве земляного полотна.
Если возникающие под действием местных повторных нагрузок напряжения не превосходят сопротивления грунта сдвигу, то образуются лишь очень
небольшие остаточные вертикальные смещения (см. рис. 2.7, линия I). Образование в этом случае вертикальных смещений происходит лишь в результате доуплотнения грунта. Работа грунта происходит в стадии упруго-вязких, то есть
обратимых деформаций.
С увеличением нагрузки, когда сдвигающие напряжения в наиболее напряженной области грунтового основания достигает величины сопротивления
грунта сдвигу, возникают пластические смещения. В этом случае грунт работает в стадии упруго-вязко-пластического деформирования, то есть в стадии упруго - пластических деформаций (см. рис. 2.7, линия II).
Исследованиями установлено, что после образования сравнительно небольших деформаций, вызываемых пластическими смещениями, дальнейшее
накопление осадок прекращается, после чего под действием повторных нагрузок той же величины вновь возникают лишь практически полностью обратимые
деформации.
С дальнейшим ростом величины повторной нагрузки либо с увеличением
числа приложений нагрузки, которая будет превышать предельную по условиям сдвига, зона, охваченная пластическими смещениями, расширяется, а на поверхности грунтового основания быстро накапливаются остаточные деформа-
22
ции. И после определенного количества нагружений наступает пластическое
течение грунта (см. рис. 2.7, линия III).
2.7. Критерии прочности нежесткой дорожной одежды
Под прочностью дорожной одежды понимают ее способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием касательных и нормальных напряжений от расчетной нагрузки, приложенной к поверхности покрытия. Напряжения возникают в конструктивных
слоях дорожной одежды и в подстилающем грунте земляного полотна. Оценка
прочности дорожной конструкции включает как оценку прочности конструкции в целом, так и оценку прочности с учетом напряжений, возникающих в отдельных конструктивных слоях дорожной одежды.
Расчет дорожной одежды осуществляют по трем критериям прочности:
- по допускаемому упругому прогибу;
- по сдвигу в подстилающем грунте и малосвязных материалах слоев дорожной одежды, а также по сдвигу в слоях асфальтобетона;
- по прочности слоев из монолитных материалов на растяжение при изгибе.
Для обеспечения работы дорожной одежды без накопления остаточных
деформаций необходимо, чтобы ни в одном из конструктивных слоев и в подстилающем грунте не возникали пластические смещения, не нарушалась
сплошность монолитных слоев и прогиб поверхности одежды под расчетной
нагрузкой не превосходил допускаемой величины.
Пластические смещения в грунте и слабосвязных материалах не произойдут, если не будет превзойдено предельное равновесие по сдвигу.
Сохранение структуры монолитных слоев гарантируется, если растягивающие напряжения при изгибе не превысят допустимых значений для данного
материала.
При проектировании дорожных одежд с усовершенствованными покрытиями обязательны расчеты по трем критериям – упругому прогибу, сдвигу и
растяжению при изгибе. Дорожные одежды с покрытиями переходного типа
рассчитывают по величине упругого прогиба и сдвигоустойчивости.
Прочность конструкции количественно оценивается величиной коэффициента прочности – отношение допустимого значения параметра, характеризующего прочность к его значению, определенному расчетом.
Расчетные формулы коэффициента прочности для проведения расчетов
по различным критериям прочности приведены в п. 4.2.
Вопросы для самопроверки
1. Какие дорожные одежды относятся к жестким и нежестким?
23
2. От чего зависит выбор типа дорожной одежды ?
3. Что такое конструктивный слой дорожной одежды?
4. Что такое покрытие дорожной одежды и каково его основное назначение?
5. Для чего устраивается основание дорожной одежды?
6. В чем состоит назначение основных слоев основания дорожной одежды?
7. Что такое рабочий слой земляного полотна?
8. Какие требования предъявляются к дорожной конструкции?
9. Какие требования предъявляются к дорожным покрытиям?
10. Какие силы действуют на покрытие при статической и динамической
нагрузках?
11. От каких параметров пневматической шины зависит давление колеса
на покрытие дорожной одежды?
12. Какие физические процессы происходят в монолитных слоях дорожной конструкции под воздействием колеса автомобиля?
13. Какие физические процессы происходят в малосвязных и несвязных
слоях дорожной конструкции под воздействием колеса автомобиля?
14. Какие предельные состояния могут возникнуть в дорожной конструкции, от чего они зависят?
15. По каким критериям прочности рассчитывается дорожная одежда нежесткого типа?
16. По каким предельным состояниям проверяются монолитные слои?
17. По каким предельным состояниям проверяются слои из несвязных и
малосвязных материалов?
24
3. КОНСТРУИРОВАНИЕ НЕЖЕСТКОЙ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ
3.1. Задачи конструирования
Проектирование дорожных одежд состоит из двух взаимосвязных последовательно выполняемых этапов: конструирования и расчета.
Конструирование дорожной одежды заключается в назначении типа
покрытия, выборе для конструкции наиболее подходящих материалов, предварительном назначении толщин отдельных слоев и размещении их по глубине
конструкции.
Таким образом, процедура конструирования дорожной одежды включает
решение нескольких задач:
- выбор вида покрытия и типа дорожной одежды;
- назначение количества конструктивных слоев, выбор материалов для их
устройства, размещение слоев в конструкции в соответствии с прочностными и
теплофизическими свойствами и назначение их ориентировочных толщин;
- решение вопроса о назначении дополнительных морозозащитных мер с
учетом дорожно-климатической зоны, типа грунта рабочего слоя земляного полотна, схемы увлажнения земляного полотна;
- предварительная оценка необходимости проектирования мер по осушению конструкции, а также по повышению трещиностойкости покрытия;
- оценка целесообразности укрепления или улучшения верхней части рабочего слоя земляного полотна;
- предварительный отбор конкурентоспособных вариантов с учетом местных природных условий.
Конструирование дорожной одежды - наиболее творческая часть проектирования. При назначении конструкции необходимо знать физические основы
ее работы под действием нагрузок и под воздействием природноклиматических факторов, механизмы деформации отдельных конструктивных
слоев и всей конструкции в целом.
При конструировании дорожной одежды необходимо иметь в виду, что
процесс деформирования и прочностные качества материалов, содержащих органическое вяжущее, существенно зависят от температуры и режима нагружения. Свойства зернистых материалов (щебеночных, гравийных и подобных им),
а также материалов, укрепленных неорганическими и комплексными вяжущими, сравнительно мало зависят от температуры и режима нагружения.
При предварительном назначении толщин конструктивных слоев, а также
независимо от результатов расчета дорожной одежды на прочность следует
учитывать значения их минимальной конструктивной толщины в уплотненном
состоянии по нормам действующего нормативного документа - СНиП 2.05.0285. «Автомобильные дороги. Нормы проектирования» [1]. Числовые значения
минимальных толщин слоев дорожной одежды приведены в табл. 3.1.
25
Таблица 3.1
Минимальные толщины слоев исходя из технологических
особенностей укладки
Наименование слоя
Минимальная толщина, см
Асфальтобетон (дегтебетон) крупнозернистый
То же, мелкозернистый
песчаный
холодный
Щебеночные (гравийные) материалы, обработанные органическими вяжущими
Щебень, обработанный по способу пропитки
Щебеночные и гравийные материалы, не обработанные вяжущими
на песчаном основании
на прочном основании (каменном или из укрепленного грунта)
Грунты и малопрочные каменные материалы, обработанные органическими,
комплексными или неорганическими вяжущими
Грунт повышенной прочности
6–7
3–5
3–4
3
8
15
8
10
50
Большие значения толщин асфальтобетонных покрытий принимают для
дорог I и II категорий, меньшие – для дорог III и IV категорий.
3.2. Принципы конструирования нежестких дорожных одежд
При конструировании дорожных одежд необходимо руководствоваться
следующими принципами:
а) тип дорожной одежды, вид покрытия и конструкция дорожной одежды в
целом должны удовлетворять транспортно-эксплуатационным требованиям,
предъявляемым к дороге соответствующей категории и ожидаемым в перспективе составу и интенсивности движения в течение заданных межремонтных
сроков и предполагаемых условий ремонта и содержания;
б) конструкция дорожной одежды может быть принята типовой или разрабатывается индивидуально для каждого участка или ряда участков дороги, характеризующихся сходными природными условиями (грунтом земляного полотна, условиями его увлажнения, климатом и др.) и одинаковыми расчетными
нагрузками;
в) при проектировании допускается применять местные каменные материалы, побочные продукты промышленности и грунты, прочностные свойства которых могут быть улучшены обработкой их вяжущими материалами (цементом, битумом, известью, активными золами уноса и т.д.). При этом необходимо
стремиться к созданию наименее материалоемкой конструкции;
г) конструкция дорожной одежды должна быть технологичной и обеспечивать
возможность максимальной механизации и индустриализации дорожностроительных работ. Для достижения этой цели количество слоев и видов материалов в дорожной конструкции должно быть минимальным;
26
д) при конструировании дорожных одежд необходимо учитывать реальные условия проведения строительных работ (летняя или зимняя технология).
При выборе материалов для устройства слоев дорожной одежды необходимо учитывать следующие положения.
1. Покрытие и верхние слои основания должны соответствовать расчетным нагрузкам и быть водо- морозо- и термоустойчивыми.
2. Для верхнего слоя асфальтобетонного покрытия выбирают материал в
соответствии с действующими нормативными документами: ГОСТ 9128-97.
«Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия» [18] и СНиП 2.05.02-85. «Автомобильные дороги. Нормы проектирования» [1]. Основные рекомендации по выбору материала покрытия приведены ниже, в п. 3.3.
Основные типы асфальтобетонных смесей и их параметры в соответствии
с ГОСТ 9128-97 приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Основные типы и параметры асфальтобетонных смесей
в соответствии с ГОСТ 9128-97
Признак классификации
Вид минеральной составляющей
Вязкость используемого битума и температура при укладке
Горячие смеси и асфальтобетоны в зависимости от
наибольшего размера минеральных зерен
Холодные смеси в зависимости от наибольшего размера минеральных зерен
Асфальтобетоны из горячих
смесей в зависимости от
величины остаточной пористости
Асфальтобетонные смеси
подразделяются на
щебеночные
гравийные
песчаные
горячие, приготавливаемые с использованием
вязких и жидких нефтяных дорожных битумов
холодные, приготавливаемые с использованием
жидких нефтяных дорожных битумов
крупнозернистые
мелкозернистые
песчаные
Параметр
Числовые знаклассификации чения параметра
отсутствуют
температура
не менее 120 °С
укладки
не менее 5 °С
размер зерен
до 40 мм
до 20 мм
до 5 мм
мелкозернистые
песчаные
размер зерен
до 20 мм
до 5 мм
высокоплотные
плотные
пористые
высокопористые
остаточная пористость
от 1,0 до 2,5 %
св. 2,5 до 5,0 %
св. 5,0 до 10,0 %
св.10,0 %
27
Окончание табл. 3.2
Признак классификации
Асфальтобетонные смеси
подразделяются на
Параметр
классификации
Асфальтобетоны из холодных смесей должны иметь
остаточную пористость
Щебеночные и гравийные
горячие смеси и плотные
асфальтобетоны в зависимости от содержания в них
щебня (гравия)
Щебеночные и гравийные
холодные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия)
-
-
Числовые значения параметров
св. 6,0 до 10,0 %
тип А
тип Б
содержание
щебня
св. 50 до 60 %
св. 40 до 50 %
тип В
тип Бх
св. 30 до 40 %
содержание
щебня
тип Вх
св. 30 до 40 %
тип Г
песок из отсевов
дробления, в смесях с природным
песком при содержании последнего
не более 30 % по
массе
на природных
песках или их смесях с отсевами
дробления при
содержании последних менее 70
% по массе
тип Гх
Горячие и холодные песчаные смеси и соответствующие им асфальтобетоны
тип Д
тип Дх
Показатели физико - механических свойств и применяемые материалы
св. 40 до 50 %
марки
вид песка
В соответствии с данными
табл. 3.3
Таблица 3.3
Подразделение асфальтобетонных смесей на марки
Вид и тип смесей и асфальтобетонов Марки Вид и тип смесей и асфальтобетонов Марки
Горячие высокоплотные
плотные типов:
А
Б, Г
В,Д
I
Пористые и высокопористые
холодные типов:
I,II Бх, Вх
I,II,III Гх
II,III Дх
I,II
I,II
I,II
II
3. В районах с климатом близком к морскому при количестве осадков 500
мм/год следует применять высокоплотный асфальтобетон или плотный, с показателем пористости (водонасыщения), соответствующим нижнему допустимому пределу (см. табл. 3.2). В районах с сухим климатом (количество осадков
28
менее 400 мм/год) следует применять плотный асфальтобетон с показателем
пористости по верхнему допускаемому пределу.
4. При перспективной интенсивности движения до 3000 авт/сут и при
стадийном строительстве допускается устройство покрытия из пористого асфальтобетона с устройством поверхностной обработки или из высокопористого
асфальтобетона с устройством двойной поверхностной обработки.
5. Для обеспечения сдвигоустойчивости при высоких летних температурах в местах остановок общественного транспорта, на регулируемых пересечениях и в других местах изменения скорости или движении на пониженных скоростях предусматривается применение асфальтобетонных смесей типа А и Б,
высокоплотных смесей, а в основании - крупнозернистых асфальтобетонных
смесей или каменных материалов, укрепленных цементом.
6. При конструировании пакета слоев из асфальтобетона оптимизируют
толщину верхнего слоя из плотного или высокоплотного асфальтобетона и стараются сократить число слоев. Асфальтобетонное покрытие должно быть, как
правило, однослойным. Минимальную конструктивную толщину покрытия назначают в соответствии с данными таблицы (см. табл. 3.1), а толщину слоя асфальтобетонного основания определяют расчетом.
7. Применение холодного асфальтобетона в покрытии допускается при
стадийном строительстве, возможном в перспективе повышении капитальности
дорожной одежды при специальном технико-экономическом обосновании.
8. При выборе материала для верхнего слоя основания надо учитывать
тип дорожной одежды, вид покрытия, а также деформационные и теплофизические свойства материалов и грунтов, укрепленных вяжущими.
9. Асфальтобетонную часть основания следует предусматривать, в основном, однослойной. Двухслойное асфальтобетонное основание допустимо применять только при необходимости использования в нижнем слое асфальтобетона с пониженной сдвигоустойчивостью (высокопористый или песчаный). В
этом случае общая толщина асфальтобетонных слоев (покрытие с основанием
из крупнозернистого асфальтобетона) не должна быть менее 12 см.
10. В основании целесообразно широко применять местные каменные материалы (в том числе малопрочные и некондиционные) и грунты, укрепленные
неорганическим вяжущим (цементом, известью, активными золами уноса).
Основание из зернистых материалов должно быть, как правило, двухслойным: несущий слой из жестких и сдвигоустойчивых материалов (щебня,
гравия, щебеночных или гравийных смесей, материалов и грунтов, укрепленных неорганическим вяжущим) и дополнительный слой, выполняющий морозозащитные или дренирующие функции.
Если в основании используют местные малопрочные каменные материалы (щебень с маркой по прочности не ниже 200, гравий и щебень из гравия по
дробимости не ниже Др24, гравелистые пески, песчано-гравийные смеси и
сдвигоустойчивые материалы с модулем упругости Еупр<250 МПа), то несу-
29
щий слой основания предусматривают из прочного щебня или из укрепленных неорганическим вяжущим материалов с минимальной конструктивной
толщиной (см. табл. 3.1). При этом толщину нижнего слоя основания из малопрочных материалов обосновывают расчетом.
Расположение неукрепленных зернистых материалов между слоями из
материалов и грунтов, укрепленных вяжущими, не допускается.
Дополнительный слой основания должен совместно с верхними слоями
основания и покрытием обеспечивать необходимую прочность конструкции,
морозоустойчивость, а также дренирующую способность.
На магистральных дорогах с тяжелым и скоростным движением основания следует устраивать преимущественно из укрепленных материалов.
11. Над дополнительным слоем основания из песка со степенью неоднородности менее 3 предусматривают устройство защитного (технологического)
слоя из гравийно-песчаных смесей, отсевов дробления изверженных пород, гравелистых или крупных песков оптимального состава, цементопеска. Толщину
защитного слоя принимают равной 10 см при степени неоднородности песка
от 2 до 3, и 15-20 см при степени неоднородности песка менее 2. При расчете
дорожной одежды на прочность толщину защитного слоя включают в толщину
дополнительного слоя основания. В качестве защитного слоя можно применять
геотекстиль.
12. Толщину слоев из материалов, содержащих органическое вяжущее,
укладываемых на слой основания из материалов, укрепленных цементом, назначают, как правило, не менее толщины слоев, укрепленных цементом. Это
позволяет ограничить появления «отраженных» трещин на покрытии. Минимальная конструктивная толщина слоев с органическими вяжущими принимается в зависимости от типа дорожной одежды и должна соответствовать значениям, приведенным в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Минимальная толщина слоев с органическими вяжущими
Тип дорожной одежды
Минимальная толщина слоев из материалов,
содержащих органическое вяжущее, см
Капитальные
Облегченные
18
12
Примечание. Если в основании применяют материалы, укрепленные комплексными или медленно твердеющими гидравлическими вяжущими, толщина слоя может быть уменьшена на
20%, а для жарких и сухих районов в IV-V дорожно-климатических зонах – на 30 %.
Для повышения трещиностойкости покрытия могут предусматриваться
специальные трещинопрерывающие прослойки на основе геосеток и геотекстиля, применяться модифицированные вяжущие в материале покрытия и другие
специальные инженерные решения.
13. Толщину отдельного конструктивного слоя предварительно назначают
в диапазоне от минимальной конструктивной толщины (см. табл. 3.1) до значений, принятых для данного региона (по данным типовых проектов).
30
3.3. Конструирование покрытий и оснований
капитальных дорожных одежд
Дорожноклиматическая
зона
Капитальные дорожные одежды с асфальтобетонными покрытиями применяют на дорогах Iа, Iб, II технических категорий, а при техникоэкономическом обосновании на дорогах III и IV технических категорий.
Вид, марку и тип асфальтобетона для покрытия назначают в соответствии
с положениями действующих нормативных документов: СНиП 2.05.02-85. «Автомобильные дороги» [1] и ГОСТ 9128-97. «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия» [18]. Данные об области применения асфальтобетонов при устройстве верхних слоев покрытий
автомобильных дорог в соответствии с ГОСТ 9128-97 приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Рекомендуемая область применения асфальтобетонов при устройстве покрытий
I
Вид
асфальтобетона
Категория автомобильной дороги
III
I, II
IV, V
марка
смеси
марка
битума
марка
смеси
марка
битума
марка
смеси
марка
битума
Плотный и
высокоплотный
I
БНД 90/130
БНД130/200
БНД 200/300
II
III
Плотный и
высокоплотный
I
БНД 60/90
БНД 90/130
БНД130/200
БН 90/130
II
БНД 90/130
БНД130/200
БНД 200/300
СГ 130/200
МГ 130/200
МГО 130/200
БНД 60/90
БНД 90/130
БНД130/200
БНД 200/300
БН 60/90
БН 90/130
БН 130/200
БН 200/300
Из холодных
смесей
-
-
I
БНД 90/130
БНД130/200
БНД 200/300
СГ 130/200
МГ 130/200
МГО 130/200
БНД 60/90
БНД 90/130
БНД130/200
БНД 200/300
БН 60/90
БН 90/130
БН 130/200
БН 200/300
СГ 130/200
МГ 130/200
МГО 130/200
СГ 70/130
СГ 130/200
МГ 70/130
МГ130/200
МГО 70/130
МГО130/200
IIIII
31
СГ 70/130
СГ 130/200
III
II
Дорожноклиматическая
зона
Окончание табл. 3.5
Вид
асфальтобетона
I, II
марка
смеси
марка
битума
марка
смеси
БНД 40/60
БНД 60/90
БН 40/60
БН 60/90
II
марка
битума
БНД 40/60
БНД 60/90
БНД 90/130
БН 40/60
БН 60/90
БН 90/130
СГ 70/130
СГ 130/200
марка
смеси
IV, V
марка
битума
БНД 40/60
БНД 60/90
БНД 90/130
БН 40/60
БН 60/90
БН 90/130
IV, Из холодных
I
II
СГ 70/130
V смесей
СГ 130/200
МГ 70/130
МГ130/200
МГО 70/130
МГО130/200
Примечания: 1. Для городских скоростных и магистральных улиц и дорог следует
применять асфальтобетоны из смесей видов и марок, рекомендуемых для дорог I, II категорий; для дорог промышленных районов - рекомендуемых для дорог III категории; для остальных улиц и дорог - рекомендуемых для дорог IV категории.
2. Битумы марок БН рекомендуется применять в мягких климатических условиях, характеризуемых средними температурами самого холодного месяца года выше минус 10° С.
Плотный
I
Категория автомобильной дороги
III
III
На дорогах I-II технических категорий для покрытия следует применять
плотный асфальтобетон, укладываемый в горячем состоянии I марки, типов А,
Б, В и Г. В районах с климатом близким к морскому следует применять высокоплотный или плотный асфальтобетон.
На дорогах III технической категории – горячие, плотные асфальтобетоны типов А, Б, В, Г и Д марки II.
На дорогах IV технической категории – горячие плотные смеси асфальтобетонов типа Б, В, Г и Д марки III.
Несущий слой основания капитальных дорожных одежд следует устраивать из прочных материалов:
- пористого асфальтобетона или дегтебетона,
- щебеночных смесей, обработанных битумной эмульсией,
- фракционированного щебня, обработанного вязким битумом по способу
пропитки,
- фракционированного щебня, уложенного по принципу расклинки мелким щебнем или гранулированным активным шлаком,
- фракционированного щебня, укрепленного по методу пропитки цементопесчаной смесью и т.д.
32
На дорогах с движением автомобилей грузоподъемностью 8 т и более при
устройстве покрытий толщиной 3-5 см верхняя часть несущего основания
должна быть предусмотрена из асфальтобетона.
Нижнюю часть несущего основания в зависимости от расчетных условий
движения устраивают из монолитных (укрепленных грунтов и каменных материалов) и зернистых материалов, отвечающих требованиям действующих нормативных документов (СНиП и ГОСТ).
В конструкциях дорожных одежд для дорог с тяжелым и интенсивным
движением на контакте слоев из крупнозернистых или гравийных материалов с
песчаными слоями основания или с грунтом земляного полотна следует предусматривать устройство разделяющих прослоек из геотекстиля для предотвращения взаимопроникновения материалов смежных слоев и снижения в связи с
этим долговечности конструкции.
3.4. Конструирование покрытий и оснований облегченных и
переходных дорожных одежд
Дорожные одежды облегченного типа с усовершенствованным покрытием применяют на дорогах III и IV технических категорий, а также при стадийном строительстве дорожных одежд на дорогах II технической категории. При
этом применяют следующие покрытия:
- асфальтобетонные или дегтебетонные,
- из черного щебня,
- из щебня, обработанного вяжущим по способу пропитки,
- из крупнообломочных материалов,
- из песчаных грунтов, обработанных в установке битумной эмульсией
совместно с цементом.
Предварительно толщину покрытия из асфальтобетона для облегченных
дорожных одежд следует назначать 4-6 см, а при использовании других материалов – 6-8 см. Окончательно толщину покрытия устанавливают расчетом.
Несущие основания для облегченных дорожных одежд с усовершенствованным покрытием для дорог III и IV категорий следует предусматривать из
монолитных или зернистых материалов:
- гравийного пористого асфальтобетона,
- гравийно-песчаных смесей, обработанных битумной эмульсией, дегтями
и другими органическими вяжущими,
- различных материалов и грунтов и побочных продуктов промышленности, обработанных неорганическими или комплексными вяжущими,
- щебеночных и щебеночно-гравийных смесей.
Дорожные одежды с покрытиями переходного типа можно устраивать на
дорогах IV и V категорий, а также при стадийном строительстве дорожной
одежды на дорогах III категории.
К переходным покрытиям относят:
33
- щебеночные и гравийные из прочных пород,
- из малопрочных каменных материалов и грунтов, укрепленных органическими, неорганическими или комплексными вяжущими,
- мостовые из булыжного и колотого камня.
Для покрытий, устраиваемых по способу заклинки, применяют фракционированный щебень естественных горных пород, щебень из горнорудных отходов и щебень из малоактивных шлаков.
Вопросы для самопроверки
1. Какие задачи решаются на этапе конструирования дорожных одежд нежесткого типа ?
2. Какими принципами руководствуются при конструировании дорожных
одежд ?
3. Какими нормативными документами регламентируются параметры асфальтобетонных смесей ?
4. Как классифицируются асфальтобетонные смеси в зависимости от температуры укладки ?
5. Какой параметр лежит в основе подразделения асфальтобетонных смесей
на типы ?
6. С какой целью ограничивают минимальную толщину слоев с органическим, вяжущим, укладываемых на слой основания из материалов, укрепленных цементом ?
7. Каковы основные принципы назначения толщин слоев в конструкции
дорожной одежды на стадии конструирования ?
34
4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАСЧЕТА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ
ОДЕЖД. РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОРОЖНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Расчетные нагрузки и расчетные параметры
Расчет дорожной одежды автомобильных дорог общей сети и городских
улиц (дорог) производят с учетом перспективной интенсивности и состава
движения на год службы дорожной одежды перед капитальным ремонтом.
Подвижной состав на автомобильных дорогах весьма разнообразен. Различные типы автомобилей, проезжающих по дорогам и имеющих различные
технические данные, создают определенные трудности как при выборе расчетной нагрузки на дорожную одежду, так и при приведении фактических нагрузок к расчетным. Поэтому при проектировании дорожной одежды перспективную интенсивность движения различных марок автомобилей приводят к перспективной интенсивности движения расчетного автомобиля.
Расчетный автомобиль – условная транспортная единица, параметры
которой используются в расчетах дорожных одежд на прочность.
Основные параметры расчетного автомобиля:
- нагрузка на колесо (нормативная нагрузка, передаваемая на колесо одиночной, наиболее нагруженной оси автомобиля),
- давление на покрытие,
- диаметр круга, равновеликого площади передачи давления в зоне контакта колеса с дорожным покрытием.
При проектировании дорожных одежд нежесткого типа за расчетный принимают наиболее тяжелый автомобиль в составе транспортного потока, доля
которого составляет не менее 10% от перспективной интенсивности движения.
Для проектирования автомобильных дорог общего пользования Государственным стандартом устанавливаются нормативные нагрузки и расчетные
схемы нагружения [46].
Нормативные нагрузки – временные вертикальные нагрузки от транспортных средств, принимаемые в виде условных нагрузок для проектирования
автомобильных дорог общего пользования и мостовых сооружений на них.
Схемы нагружения – расположение нагрузки в поперечном и продольном направлениях на проезжей части, обочинах и на мостовых сооружениях автомобильной дороги.
В соответствии с ГОСТ Р 52748-2007 «Нормативные нагрузки, расчетные
схемы нагружения и габариты приближения на автомобильных дорогах общего
пользования» [44] нагрузку от автотранспортных средств на автомобильных
дорогах общего пользования принимают в виде схем АК или НК.
Расчет дорожных одежд выполняют в соответствии со схемой нагрузки от
автомобиля АК. Расположение нагрузки в продольном и поперечном направлении на проезжей части дороги схематично представлено на рис. 4.1.
35
б)
а)
I-I
I
10K
10K
d
5K на колесо
5K
0,2
0,6
с=1,9
q=0,5K
q=0,5K
q=0,5K
I
Полоса нагрузки
Рис.4.1. Схема автомобильной колесной нагрузки АК (размеры в метрах)
Схема нормативной нагрузки АК включает одну двухосную тележку с нагрузкой на ось, равной 10 К (кН) и равномерно распределенной вдоль дороги.
Класс нагрузки К для нормативной колесной нагрузки АК при расчетах
нежестких дорожных одежд следует принимать равным:
для автомобильных дорог I-a, I-б, I-в, II категории – 11,5 (К1),
для автомобильных дорог III и IV категории – 10 (К2),
для автомобильных дорог V категории – 6 (К3).
При расчете дорожных одежд равномерно распределенная нагрузка вдоль
направления движения (см. рис. 4.1,а) не учитывается.
Ось нормативной нагрузки АК при расчете нежестких дорожных одежд
размещается на середине полосы движения проезжей части (см. рис. 4.1, б).
Действующие Межгосударственные отраслевые дорожные нормы
(МОДН 2-2001) устанавливают в качестве расчетной нагрузку, соответствующую расчетному автомобилю группы А, если в задании на проектирование расчетная нагрузка не оговорена специально. В зависимости от нормативной статической нагрузки на ось различают группы А1 (100 кН), А2 (110 кН) и А3 (130
кН) [3].
Согласно СНиП 2.05.02-85 нагрузку на одиночную, наиболее нагруженную ось двухосного автомобиля для расчета прочности дорожной одежды следует принимать для дорог I-IV категории – 100 кН, V категории – 60 кН.
В качестве расчетных параметров, характеризующих величину и повторяемость нагрузок от автомобиля на дорожную одежду, используют:
при расчете дорожной одежды на воздействие неподвижного транспортного средства (статическая нагрузка)
− среднее расчетное давление колеса на покрытие р, МПа,
− расчетный диаметр следа колеса неподвижного автомобиля Dн, см;
36
при расчете дорожной одежды на воздействие движущегося автомобиля
− среднее расчетное давление колеса на покрытие р, МПа,
− расчетный диаметр следа колеса движущегося автомобиля Dд, см,
− приведенную к расчетной перспективную интенсивность воздействия нагрузки Nр, ед/сут,
− суммарное расчетное число приложения приведенной расчетной нагрузки
к расчетной точке на поверхности конструкции за срок службы дорожной одежды ∑Nр, ед/сут.
Величину p принимают равной давлению воздуха в шинах. Диаметр расчетного отпечатка шины D определяют из зависимости
D=
40Q расч
π⋅p
,
(4.1)
где Qрасч – расчетная величина нагрузки, передаваемой колесом на поверхность
покрытия, кН; p – давление воздуха в шинах, МПа.
Числовые значения параметров расчетной нагрузки принимают по табл. 4.1.
Таблица 4.1
Параметры расчетной нагрузки
Группа
расчетной нагрузки
А1 (К2)
А2
А3
(К1)
(К3)
Нормативная
статическая
нагрузка на
ось, кН
100
110
130
115
60
Нормативная статическая
нагрузка на поверхность
покрытия от колеса
Qрасч, кН
50
55
65
57,5
30
Расчетные параметры
нагрузки
p, МПа
D, см
0,60
0,60
0,60
0,60
0,50
37/33*
39/34
42/37
40/35
32/28
Примечания: 1. В числителе приведены числовые значения для движущегося (Dд), в знаменателе - для неподвижного колеса (Dн).
2. К1, К2, К3 – класс нагрузки согласно ГОСТ Р 52748-2007; А1, А2, А3 – группа расчетной нагрузки в соответствии с МОДН 2-2001.
Перспективную интенсивность воздействия расчетной нагрузки Nр на последний год срока службы дорожной одежды определяют по формуле
n
N p = f пол ∑ N m ⋅ S m.сум ,
(4.2)
m=1
где fпол - коэффициент, учитывающий число полос движения (табл.4.2); n
- общее число различных марок транспортных средств в составе потока; Nm число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m-ой марки на последний год службы дорожной одежды; Sm.сум - суммарный коэффициент приведения транспортного средства m-ой марки к расчетной нагрузке.
37
Таблица 4.2
Значение коэффициента полосности fпол
Число полос
движения
1
2
3
4
6
Значение коэффициента fпол для полосы с номером
(от обочины)
1
2
3
1,00
0,55
0,50
0,50
0,35
0,20
0,30
0,20
0,05
Значение суммарного коэффициента приведения определяют по формуле
n1
Sm.сум = ∑ Si ,
i =1
(4.3)
где n1 – число осей у данного транспортного средства, для приведения
которого к расчетной нагрузке определяют коэффициент Sm.сум; Si – коэффициент приведения номинальной динамической нагрузки от колеса каждой из n1
осей транспортного средства к расчетной динамической нагрузке.
Коэффициент приведения Si определяют по формуле
β
⎛ Qдi ⎞
⎟ ,
Si = ⎜
⎜Q
⎟
⎝ д. расч ⎠
(4.4)
где Qдi – номинальная динамическая нагрузка от колес на покрытие;
Qд. расч – расчетная динамическая нагрузка от колес на покрытие; β – показатель степени, принимаемый равным: 4,4 – для капитальных дорожных одежд,
3,0 – для облегченных дорожных одежд, 2,0 – для переходных дорожных
одежд.
Номинальную динамическую нагрузку Qдn определяют по паспортным
данным на транспортное средство с учетом распределения статических нагрузок на каждую ось:
Qдi = K дин ⋅ Qi ,
(4.5)
где Кдин – динамический коэффициент, принимаемый равным 1,3; Qi –
номинальная статическая нагрузка на колесо данной оси (по паспортным данным).
При определении расчетного значения номинальной статической нагрузки для многоосных автомобилей Qi,мн фактическую номинальную нагрузку на
колесо умножают на коэффициент Кс1 :
Qi. мн = K с1 ⋅ Qi ,
(4.6)
который определяют по формуле
K с1 = a − b Бm − c ,
38
(4.7)
где Бm – расстояние между крайними осями тележки, м; a, b, c – параметры, определяемые в зависимости от капитальности дорожной одежды и
числа осей тележки по данным табл.4.3.
Таблица 4.3
Значение параметров a, b, c
Тележки
a
b
c
Двухосные
1,7/1,52
0,43/0,36
0,5/0,5
Трехосные
2,0/1,6
0,46/0,28
1,0/1,0
Примечание. В числителе – для капитальных и облегченных типов дорожных
одежд, в знаменателе – для переходных.
Суммарный коэффициент приведения определяют в следующей последовательности:
− назначают расчетную нагрузку и определяют ее параметры: Q расч, p, D;
− для каждой марки автомобилей в составе перспективного движения по
паспортным данным устанавливают величину номинальной статической нагрузки на колесо для всех осей транспортного средства Q i;
− находят величину номинальных динамических нагрузок Qдi от колеса для
каждой оси и величину расчетной динамической нагрузки по формуле (4.5);
− вычисляют коэффициент приведения номинальной нагрузки от колеса
каждой из осей Si к расчетной;
− вычисляют суммарный коэффициент приведения нагрузки от рассматриваемого типа автомобиля к расчетной нагрузке по формуле (4.3).
Данные о нагрузках, передаваемых на дорожное покрытие автотранспортными средствами, выпускаемыми серийно, следует принимать по специальным справочникам или по данным, приведенным в прил. 4 (см. табл.П.4).
Суммарный коэффициент приведения Sm.сум допускается приближенно
принимать по данным табл. 4.4.
Таблица 4.4
Суммарный коэффициент приведения Sm.сум
Коэффициент приведения
к расчетной нагрузке Sm.сум
А1 (К2)
А2
А3
К1
Типы автомобилей
Легкие грузовые автомобили грузоподъемностью от 1 до 2 т
Средние грузовые автомобили грузоподъемностью от 2 до 5 т
Тяжелые грузовые автомобили грузоподъемностью от 5 до 8 т
Очень тяжелые грузовые автомобили грузоподъемностью более 8 т
39
100 кН
110 кН
130 кН
115 кН
0,005
0,003
0,0015
0,004
0,2
0,13
0,063
0,111
0,7
0,46
0,22
0,40
1,25
0,82
0,40
0,69
Окончание табл. 4.4
Коэффициент приведения
к расчетной нагрузке Sm.сум
А1 (К2)
А2
А3
Типы автомобилей
К1
100 кН
110 кН
130 кН
115 кН
0,7
1,5
0,46
0,99
0,22
0,47
0,40
-
Автобусы
Тягачи с прицепами
Суммарное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции дорожной одежды за срок службы определяют по формуле
∑N
= 0,7 ⋅ N p
Kc
⋅ Т р∂г ⋅ k n ,
(4.8)
q
где Кс – коэффициент суммирования; q- показатель изменения интенсивности
движения данного типа автомобиля по годам; Тсл - расчетный срок службы
дорожной одежды, лет (принимается по данным табл. 4.5); Трдг - число расчетp
(Tсл −1)
ных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости дорожной конструкции (принимается по данным табл.4.6 и рис.4.2); kп –
коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от
среднего ожидаемого (принимается по данным табл.4.7).
Показатель изменения интенсивности движения рассчитывается по формуле
q=1+ р% /100,
(4.9)
где р% – рост интенсивности движения, %.
Коэффициент суммирования вычисляется по формуле
Кс =(qТсл-1) /(q-1) .
(4.10)
Срок службы дорожной одежды принимают в соответствии с данными
табл. 4.5 в зависимости от категории дороги, типа дорожной одежды и дорожно-климатической зоны.
Таблица 4.5
Рекомендуемый расчетный срок службы дорожной одежды
Категория
дороги
I
II
III
IV
V
Тип дорожной
одежды
капитальный
капитальный
капитальный
облегченный
капитальный
облегченный
облегченный
переходной
Срок службы в дорожно-климатических зонах, лет
I, II
III
IV, V
14-15-18
15-19
16-20
11-15
12-16
13-16
11-15
12-16
13-16
10-13
11-14
12-15
11-15
12-16
13-16
8-10
9-11
10-12
8-10
9-11
10-12
3-8
3-9
3-9
40
Таблица 4.6
Количество расчетных дней в году Трдг в зависимости от местоположения дороги
Номера
районов (см.
рис. 4.2)
1
2
3
4
5
6
7
8
Примерные географические границы районов
Зона распространения вечномерзлых грунтов севернее линии семидесятой параллели
Севернее линии, соединяющей Онегу – Архангельск – Мезень – Нарьян-Мар – шестидесятый
меридиан – до побережья Европейской части
Севернее линии, соединяющей Минск – Смоленск – Калугу – Рязань – Саранск – сорок восьмой меридиан – до линии, соединяющей Онегу –
Архангельск – Мезень – Нарьян-Мар
Севернее линии, соединяющей Львов – Киев –
Белгород – Воронеж – Саратов – Самару – Оренбург – шестидесятый меридиан до линии районов 2 и 3
Севернее линии, соединяющей Ростов-на-Дону –
Элисту – Астрахань до линии Львов– Киев –
Белгород – Воронеж – Саратов – Самара
Южнее линии Ростов-на-Дону – Элиста – Астрахань для Европейской части, южнее сорок шестой параллели для остальных территорий
Восточная и Западная Сибирь, Дальний Восток
(кроме Хабаровского и Приморского краев, Камчатской области), ограниченные с севера семидесятой параллелью, с юга сорок шестой параллелью
Хабаровский и Приморский края, Камчатская
область
Значение Трдг
70
145
125
135
145
205
130-150 (меньшие значения
для центральной
части)
140
Примечание. Величину Трдг на границах районов следует принимать по большему из значений
Таблица 4.7
Значение коэффициента kп в зависимости от категории дороги
Тип дорожной
одежды
Капитальный
Облегченный
Переходный
Значение коэффициента kп при категории дороги
I
II
III
IV
1,49
1,49
1,38
1,31
1,47
1,32
1,26
1,19
1,16
41
V
1,06
1,04
42
Рис. 4.2. Карта районирования по количеству расчетных дней в году, Трдг
4.2. Расчетные модели и схемы
Дорожные одежды представляют собой многослойные системы, состоящие из слоев разной жесткости, лежащих на упругоизотропном полупространстве, то есть на грунтовом основании с одинаковым распределением напряжений по массиву. Для неоднородных нелинейно-деформируемых материалов, к
которым относятся конструктивные слои дорожных одежд, не найдено еще
аналитических зависимостей, позволяющих рассчитать напряжения, передающиеся непосредственно на грунтовое основание. При расчетах предполагают,
что при малых прогибах под нагрузкой конструктивные слои дорожной одежды
работают как линейно-деформируемые материалы. При таких допущениях в
качестве расчетной модели принято слоистое упругое, линейно-деформируемое полупространство, на поверхности которого действует вертикальная нагрузка, равномерно распределенная по площади круга диаметром D от колес
расчетной нагрузки (см. рис. 2.4).
Эта расчетная модель позволяет использовать методы теории упругости
для изучения напряженно-деформированного состояния дорожной одежды и
грунта земляного полотна.
В связи со сложностью решения задачи о напряженном состоянии многослойных систем получены решения лишь для некоторых частных случаев двухслойных систем, в которых каждый слой характеризуется:
- модулем упругости (E, МПа), определяющим упругие свойства материала слоя дорожной одежды и сопротивление его деформированию под действием нагрузок,
- коэффициентом Пуассона (μ) – отношением поперечного относительного удлинения к относительному продольному укорочению при сжатии,
- толщиной (h, см).
В качестве расчетной схемы нагружения дорожной конструкции колесом автомобиля принимается гибкий круговой штамп диаметром D, передающий равномерно распределенную нагрузку (удельное давление) величиной p.
Значения расчетного удельного давления колеса на покрытие и расчетного диаметра, приведенного к кругу отпечатка расчетного колеса на поверхности покрытия, назначают с учетом параметров расчетного автомобиля (см. табл. 4.1).
Расчетная схема двухслойной системы, используемая при проектировании нежестких дорожных одежд, приведена на рис. 4.3. Предполагается, что
верхний слой имеет больший модуль упругости, чем нижний.
Дорожные одежды по конструкции и материалам конструктивных слоев
весьма разнообразны. Для сопоставления различных вариантов по прочности
их оценивают эквивалентным модулем упругости (Еэкв ) - модулем упругости
однородного полупространства, для которого при приложении расчетной нагрузки его прогиб равен прогибу многослойной конструкции дорожной одежды.
43
Q
D
Еэкв
Е /экв
Е1
h
Рис. 4.3. Схема двухслойной
системы для расчета дорожных
одежд:
Е1 – модуль упругости верхнего
слоя, МПа; Е2 – модуль упругости нижнего слоя, МПа; h – толщина верхнего слоя, см
Е2
Передача давления от внешней нагрузки, осадка и сжатие отдельных слоев многослойных систем зависят от: толщины отдельных слоев, соотношения
их модулей упругости и коэффициентов Пуассона, а также возможности перемещения слоя по слою в процессе деформирования.
В связи со сложностью процессов, протекающих в деформируемой дорожной одежде, при расчетах за основной показатель ее прочности принят допускаемый упругий прогиб как некоторая комплексная характеристика прочности дорожной конструкции.
При расчетах двухслойную систему (слой прочного материала с модулем
упругости Е1 на грунте земляного полотна с модулем упругости Е2 ) заменяют
эквивалентным по деформируемости слоем однородного материала с модулем
упругости Еэкв в соответствии со схемой, приведенной на рис. 4.4.
а)
Еэкв
б)
Q
Е1
Q
Еэкв
Е2
Рис.4.4. Схема к определению понятия об эквивалентном модуле упругости: а) многослойная система после деформации (штриховой линией показано первоначальное положение слоев до приложения
нагрузки); б) эквивалентное однородное полупространство, Δ вертикальная упругая деформация
По формуле Е. Барбера при действии одинаковых нагрузок осадки Δ у
двухслойной системы и однородного упругоизотропного полупространства
одинаковы, если их модули упругости находятся в отношении
44
Е экв =
1,05 ⋅ Е1
,
Е1 Е2 + 1
+1
4h
23
1 + (Е1 Е 2 )
D
(4.11)
где Е1, Е2 – модули упругости верхнего и нижнего слоев, МПа; h – толщина
верхнего слоя, см; D – диаметр круглой площадки, равновеликой площади контакта шины с покрытием, через которую передается давление, см
Дорожные одежды обычно состоят не из двух, а из большего количества
слоев. Для оценки прочности их приводят к эквивалентным двухслойным системам, последовательно определяя эквивалентные (общие) модули упругости
нижележащего слоя. Расчет можно вести снизу вверх или сверху вниз.
Схема расчета снизу вверх (начиная с подстилающего грунта) приведена
на рис. 4.5.
а)
б)
Е1
Е /экв
Е1
Е
Е2
/
экв
Е //экв
в)
Е3
//
Е экв
Рис.4.5. Последовательность определения эквивалентного (общего) модуля
упругости двухслойной дорожной одежды: а) конструкция дорожной одежды; б) первый этап расчета - определение эквивалентного модуля второго и третьего слоев; в) второй этап расчета – определение эквивалентного модуля всей дорожной одежды
Для конструкции дорожной одежды (см. рис 4.5,а) на первом этапе расчета определяют эквивалентный (общий) модуль упругости двухслойной системы
из подстилающего грунта с модулем упругости Е3 и расположенного на нем
слоя основания дорожной одежды с модулем упругости Е2, то есть заменяют
′
два слоя условно однородным материалом с модулем упругости Е экв (см. рис.
4.5,б). Затем рассматривают слой условно однородного материала с модулем
′
упругости Е экв и лежащий на нем слой дорожной одежды с модулем упругости
Е1. Эти два слоя заменяют условно однородным материалом с модулем упруго′′
сти Е экв (см. рис. 4.5, в). Если дорожная одежда содержит более двух слоев,
расчеты по данной схеме повторяют до тех пор, пока не будут учтены все слои
дорожной одежды.
Расчет сверху вниз ведут для определения толщин конструктивных слоев
при известном эквивалентном модуле упругости дорожной одежды в целом требуемом модуле упругости.
45
Требуемый модуль упругости – это модуль упругости эквивалентного
однородного пространства, при котором деформации от расчетной нагрузки не
превышают заданной величины. Он может быть найден из формулы Буссинеска, для определения просадки поверхности упругоизотропного полупространства Δ при действии на нее нагрузки, равномерно распределенной по круглой
площадке с диаметром D при известном эквивалентном модуле упругости дорожной одежды:
(
)
p ⋅ D 1− μ2
Δ=
,
Е экв
(4.12)
где μ – коэффициент Пуассона, принимаемый для материалов дорожных
одежд равным 0,35; р – давление колеса автомобиля, МПа; D – диаметр круга,
равновеликого следу колеса, см.
Если вместо Δ подставить значение допустимого прогиба дорожной одежды lдоп, то можно определить требуемый модуль упругости Етр по формуле
Етр
(
)
p ⋅ D 1− μ2
=
.
lдоп
(4.13)
Рассмотренная выше схема деформации дорожной одежды исходит из
однократного статического приложения нагрузки. Многократное динамическое
воздействие проездов автомобилей в периоды опасного переувлажнения грунтового основания приводит к постепенному накоплению усталостных пластических деформаций в дорожной одежде и подстилающем грунте, к нарушению
внутренней связи материалов и в итоге к разрушению дорожной одежды при
нагрузках, меньших расчетной.
Как отмечалось в п. 2.7, методика оценки прочности дорожной одежды
включает как проверку прочности всей конструкции в целом (критерий упругого прогиба), так и оценку прочности в отдельных конструктивных слоях. Количественной оценкой прочности является величина коэффициента прочности.
При оценке прочности дорожной конструкции по упругому прогибу коэффициент прочности определяют по формуле
K пр =
lдоп E тр
=
l
Еоб ,
(4.14)
где lдоп - допустимый общий прогиб конструкции под расчетной нагрузкой; l расчетный общий прогиб; Етр – требуемый общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке; Еоб – расчетный общий (эквивалентный) модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке.
При оценке прочности дорожной одежды по слоям (по второму и третьему критериям прочности, см. п. 2.7) коэффициент прочности рассчитывают по
формуле
46
K пр =
σ доп
σ расч ,
(4.15)
где σдоп, - допустимые напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки; σрасч – расчетные действующие напряжения (нормальные или
касательные) от расчетной нагрузки.
4.3. Проектирование нежестких дорожных одежд с учетом
теории надежности
На работу конструкции дорожной одежды оказывает влияние большое
количество случайных факторов, которые имеют вероятностную природу. Учет
этого влияния необходим, прежде всего, на стадии проектирования.
Дорожную одежду следует проектировать с требуемым уровнем надежности, под которым понимают вероятность безотказной работы конструкции в
течение межремонтного периода.
Отказ – это такое состояние дорожной одежды, при котором требуется
проведение капитального ремонта ранее срока, установленного действующими
нормами.
Отказ конструкции дорожной одежды по прочности может характеризоваться образованием продольной и поперечной неровности поверхности, связанной с прочностью конструкции (поперечных неровностей, колей, усталостных трещин) с последующим развитием других видов деформаций и разрушений (частых трещин, сетки трещин, выбоин, просадок, проломов и т.д.). Количественным показателем отказа дорожной одежды является предельный коэфпр
фициент разрушения Кр .
Предельный коэффициент разрушения – это отношение суммарной
протяженности (или суммарной площади) участков дороги, требующих ремонта из-за недостаточной прочности дорожной одежды, к общей протяженности
(или общей площади) дороги между корреспондирующими пунктами.
Значения предельного коэффициента разрушения на последний год
службы дорожной одежды зависят от технической категории дороги и типа дорожной одежды.
пр
При одном и том же значении Кр дорожную одежду можно проектировать с разной надежностью. Требуемый уровень проектной надежности Кн
должен быть указан в задании на проектирование.
Коэффициенты прочности дорожной конструкции должны быть такими,
чтобы была обеспечена требуемая надежность конструкции, т.е. не наступил
отказ дорожной одежды по прочности в заданный межремонтный период.
пр
Значения Кр и Кн на последний год срока службы в зависимости от капитальности дорожной одежды и категории дороги принимают по табл.4.8. Для
обеспечения заданной надежности коэффициент прочности по каждому из расчетных критериев дорожной одежды не должен быть ниже минимально требуемых значений, которые приведены в табл. 4.8.
47
Таблица 4.8
Требуемые минимальные коэффициенты прочности при заданных уровнях
надежности для расчета дорожных одежд по различным критериям прочности
Тип дорожной одежды
Капитальный
Облегченный
Категория
дороги
Предельный
коэффициент
разрушения
I
0,05
II
0,05
III
0,10
IV
0,10
III
0,15
IV
0,15
V
0,15
IV
0,40
V
0,40
Заданная
надежность Кн
Крпр
0,98
0,95
0,98
0,95
0,98
0,95
0,90
0,95
0,90
0,85
0,80
0,98
0,95
0,90
0,95
0,90
0,85
0,80
0,95
0,90
0,80
0,70
0,95
0,90
0,85
0,80
0,95
0,90
0,90
0,70
Переходный
48
Требуемый коэффицитр
ент прочности Кпр по
критерию
упругого
сдвига и
прогиба
растяжения
при изгибе
1,50
1,10
1,30
1,00
1,38
1,10
1,20
1,00
1,29
1,10
1,17
1,00
1,10
0,94
1,17
1,00
1,10
0,94
1,06
0,90
1,02
0,87
1,29
1,10
1,17
1,00
1,10
0,94
1,17
1,00
1,10
0,94
1,06
0,90
1,02
0,87
1,13
1,00
1,06
0,94
0,98
0,87
0,90
0,80
1,17
1,00
1,10
0,94
1,06
0,90
1,02
0,87
1,13
1,00
1,06
0,94
0,98
0,87
0,90
0,80
Расчетные значения прочностных характеристик отдельных конструктивных слоев дорожной одежды также определяют с учетом заданной надежности. Это относится, прежде всего, к определению расчетной влажности грунта земляного полотна и сопротивления асфальтобетона растяжению при изгибе.
Расчетные значения определяют через нормативные (средние) значения
этих характеристик по формуле
М р = М р (1 ± ν ⋅ t ) ,
(4.16)
где Мр – расчетное значение характеристики; М р - нормативное значение характеристики; t – коэффициент нормированного отклонения;
фициент вариации.
ν - коэф-
Нормативные значения прочностных характеристик при расчетах принимают по таблицам. Числовое значение коэффициента нормированного отклонения принимается в зависимости от принятого уровня надежности по табл. 4.9
Таблица 4.9
Коэффициент нормированного отклонения
Кн
t
0,70
0,52
0,75
0,68
0,80
0,84
0,85
1,06
0,90
1,32
0,95
1,71
0,98
2,19
Коэффициент вариации для относительной влажности грунта рабочего
слоя и прочности асфальтобетонных слоев на растяжение при изгибе принимается равным ν = 0,1.
Расчетные значения вычисляются для самого неблагоприятного состояния. Так как при увеличении влажности грунта снижется его прочность
(уменьшается модуль упругости), при расчетах в формуле (4.16) принимается
знак «плюс».
Это означает, что расчетное значение соответствует верхней границе доверительного интервала случайной величины при заданном уровне надежности.
При определении прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе
наиболее неблагоприятное условие – минимальное значение этого параметра. В
расчетную формулу (4.16) подставляют знак «минус», что означает, что расчетное значение соответствует нижней границе доверительного интервала случайной величины при заданном уровне надежности.
4.4. Определение расчетных характеристик рабочего слоя грунта
земляного полотна
При расчете дорожных одежд сопротивление грунтов внешним нагрузкам
оценивают модулями упругости или модулями деформации.
Понятие о модуле упругости можно вывести из следующего описания.
Если на некоторой глубине z в толще грунтового основания действует напря49
жение σz, вызывающее упругое сжатие тонкого слоя h на величину lупр, то модуль упругости будет равен
Е упр =
σz ⋅h
l упр
..
(4.17)
Если учитывать упругую и пластическую деформации тонкого слоя грунта, то есть lсумм = lупр + lпл, то модуль деформации будет равен
Едеф =
σz ⋅h
=
σz ⋅h
,
(4.18)
l упр + lпл
где Едеф – модуль деформации грунта, МПа, lсумм – суммарная деформаlсумм
ция тонкого слоя грунта, см.
Водно-тепловой режим земляного полотна изменяется в течение года.
Соответственно изменяются за это время модули упругости и деформации
грунтового основания.
Основными расчетными параметрами физико-механических свойств
грунтов земляного полотна, которые используют при расчете дорожных одежд
на прочность, являются:
- модуль упругости Егр, МПа;
- коэффициент Пуассона μгр;
- угол внутреннего трения φгр, град;
- удельное сцепление Сгр, МПа.
Значение расчетных характеристик зависит от расчетной влажности и
суммарного приложения расчетной нагрузки за срок службы дорожной одежды.
Расчетную влажность определяют в наиболее неблагоприятный (весенний) период, когда земляное полотно оттает полностью, но не просохнет.
Значения влажности грунта дифференцируют в зависимости от дорожноклиматических зон и подзон по признакам примерно одинаковой влажности
грунтов земляного полотна автомобильных дорог, находящихся в сходных условиях по типу увлажнения местности.
Карта дорожно-климатических зон и подзон для проектирования дорожных одежд приведена в прил. 2 (см. рис. П.2), примерные географические границы описаны в табл. П.2.1. Внутри каждой зоны отдельные участки дорог
могут относиться к одному из трех типов местности по условиям увлажнения.
Тип увлажнения местности устанавливается при изысканиях.
Классификация типов местности по условиям увлажнения для различных
дорожно-климатических зон приведена в прил.2 (см.табл. П.2.2), описание
расчетных схем увлажнения рабочего слоя земляного полотна – в табл. П. 2.3.
50
Расчетную влажность грунта Wр (в долях от влажности на границе текучести Wт) при суммарной толщине слоев дорожной одежды z1 ≥ 0,75 м определяют по формуле
(
)
W р = W таб + Δ1W − Δ 2W ⋅ (1 + 0,1 ⋅ t ) − Δ 3 ,
(4.19)
где W таб - среднее многолетнее значение относительной влажности грунта (в
долях от границы текучести Wт, в зависимости от дорожно-климатической зоны (см. рис.П.2) и типа грунта (табл.4.10); Δ1W - поправка на особенности
рельефа (табл.4.11); Δ 2 W - поправка на конструктивные особенности проезжей
части и обочин (табл.4.12); Δ 3 - поправка на влияние суммарной толщины (Z)
стабильных слоев дорожной одежды (рис.4.6); t- коэффициент нормированного
отклонения (см. табл. 4.9).
Нормативные значения расчетных характеристик грунта определяют по
табл. 4.13, 4.14, 4.15.
Таблица 4.10
Среднее многолетнее значение относительной влажности грунта
Дорожноклиматические зоны и подзоны
(рис. П.2)
I1
I2
I3
II1
II2
II3
Схема увлажнения рабочего слоя грунта
земляного
полотна
(табл. П.2.3)
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Среднее значение влажности Wтаб грунта, доли от Wт
супесь
песок
суглинок легсупеси пылеватая,
легкая
пылекий, тяжелый,
тяжелая пылеватая,
ватый
тяжелый пылесуглинок легкий
ватый, глины
пылеватый
0,53
0,55
0,57
0,57
0,59
0,62
0,60
0,62
0,65
0,60
0,63
0,65
0,57
0,60
0,62
0,63
0,66
0,68
0,57
0,59
0,62
0,57
0,62
0,65
0,62
0,65
0,70
0,62
0,65
0,67
0,59
0,62
0,64
0,65
0,68
0,70
51
0,62
0,65
0,67
0,62
0,67
0,70
0,65
0,70
0,75
0,65
0,68
0,70
0,62
0,65
0,67
0,68
0,71
0,73
0,65
0,67
0,70
0,65
0,70
0,75
0,70
0,75
0,80
0,70
0,73
0,75
0,67
0,70
0,72
0,73
0,76
0,78
Окончание табл. 4.10
Дорожноклиматические зоны и подзоны
(рис. П.2)
II4
II5
II6
III1
III2
III3
IV1
IV 2-3
V1
V 2-3
Схема увлажнения рабочего слоя грунта
земляного
полотна
(табл. П.2.3)
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2-3
1
2-3
1
2-3
Среднее значение влажности Wтаб грунта, доли от Wт
супесь
песок
суглинок легсупеси пылеватая,
легкая
пылекий, тяжелый,
тяжелая пылеватая,
ватый
тяжелый пылесуглинок легкий
ватый, глины
пылеватый
0,60
0,63
0,65
0,65
0,68
0,70
0,62
0,65
0,67
0,55
0,59
0,58
0,62
0,55
0,59
0,53
0,57
0,52
0,55
0,62
0,65
0,67
0,67
0,70
0,72
0,64
0,67
0,69
0,57
0,61
0,60
0,64
0,57
0,61
0,55
0,58
0,53
0,56
0,65
0,68
0,70
0,70
0,73
0,75
0,67
0,70
0,72
0,60
0,63
0,63
0,66
0,60
0,63
0,57
0,60
0,54
0,57
0,70
0,73
0,75
0,75
0,78
0,80
0,72
0,75
0,77
0,63
0,67
0,66
0,70
0,63
0,67
0,60
0,64
0,57
0,60
Примечание. Табличными значениями Wтаб можно пользоваться только при обеспечении
возвышения земляного полотна в соответствии со СНиП 2.05.02-85. На участках, где возвышение не обеспечивается (например, в нулевых местах и в выемках с близким залеганием
грунтовых вод), величина Wтаб назначается индивидуально по данным прогнозов, но она
должна быть не менее чем на 0,03 выше табличных значений.
Таблица 4.11
Поправка на особенности рельефа
Тип местности по рельефу
Равнинные районы
Предгорные районы (до 1000 м в.у.м.)
Горные районы (более 1000 м в.у.м.)
Поправка Δ1 W
0,00
0,03
0,05
52
0,12
3
0,1
4
0,08
3
0,06
0,04
2
0,02
1
0
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
Z,м
1,8
Рис.4.6. Графики для определения поправки Δ 3 на влияние суммарной толщины
стабильных слоев одежды: 1- для исходной* относительной влажности 0,75Wт;
2 - то же, для 0,80Wm; 3 - то же, для 0,85Wm; 4 - то же, для 0,90Wm
* Исходная влажность определяется
Wтаб , т.е. первым слагаемым в формуле (4.19)
Таблица 4.12
Поправка на конструктивные особенности проезжей части и обочин
Поправка Δ2 W в дорожноклиматических зонах
II
III
IV
V
Конструктивная особенность
1. Наличие основания дорожной одежды, включая
слои на границе раздела с земляным полотном, из
укрепленных материалов и грунтов
- крупнообломочного грунта и песка
- супеси
- пылеватых песков и супесей, суглинка, зологрунта
2. Укрепление обочин (не менее 2/3 их ширины)
- асфальтобетоном
- щебнем (гравием)
3. Дренаж с продольными трубчатыми дренами
4. Устройство гидроизолирующих прослоек из
полимерных материалов
5. Устройство теплоизолирующего слоя,
предотвращающего промерзание
6. Грунт в активной зоне земляного полотна в
«обойме»
7. Грунт, уплотненный до Купл. =1,03÷1,05 в слое 0,30,5 м от низа дорожной одежды, расположенном ниже границы промерзания
0,04
0,05
0,08
0,04
0,05
0,08
0,03
0,05
0,06
0,03
0,04
0,05
0,05
0,02
0,04
0,02
0,03
0,02
0,02
0,02
0,05
0,03
-
-
0,05
0,05
0,03
0,03
Снижение расчетной влажности
до величины полной влагоемкости при требуемом Купл. грунта
Снижение расчетной влажности
до оптимальной
0,030,030,030,05
0,05
0,05
Примечание. Поправки Δ2 W при мероприятиях по п.п.1 и 2 следует принимать только
при 1-й схеме увлажнения рабочего слоя, а по п.5 – при 2-й и 3-й схемах.
53
54
0,014
0,013
0,012
0,011
0,010
0,009
0,008
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,012
0,010
0,009
0,008
0,007
0,007
0,004
0,030
0,019
0,013
0,009
0,007
0,004
103
0,008
0,008
0,006
0,005
0,005
0,004
0,003
0,016
0,013
0,009
0,006
0,005
0,004
104
0,012
0,009
0,006
0,004
0,002
0,001
24
21
18
15
13
11,5
1
0,006
0,006
0,005
0,004
0,004
0,003
0,003
0,005
0,004
0,004
0,003
0,003
0,003
0,003
36
36
35
35
34
34
33
Супеси и пески пылеватые
0,014
0,011
0,007
0,005
0,003
0,002
≥ 106
Суглинки и глины
105
24
23,5
23,5
23
23
22
21
20
15
11,5
10
8
6,5
103
18
17
17
17
17
15
12,5
14,5
11
8,5
7,5
5
3,5
104
14
14
14
14
14
12
10
11
8
6,5
5
3
2,2
105
12
12
12
12
12
10
8
9
7
5,5
4
2,5
2
≥ 106
Угол внутреннего трения ϕ, град, при суммарном числе приложений нагрузки (∑Nр)
Примечание. Значение сдвиговых характеристик при ∑Nр =1 используются при расчете на статическое действие нагрузки.
0,030
0,024
0,019
0,015
0,011
0,008
1
Сцепление С, МПа, при суммарном числе
приложений нагрузки (∑Nр)
≤ 0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,90
Расчетная относительная
влажность
Таблица 4.13
Значения сдвиговых характеристик глинистых грунтов в зависимости от расчетного числа
приложений расчетной нагрузки
55
90
108
108
Глины
72
72
72
72
56
84
0,60
Примечание. Классификация песков дана по ГОСТ 25100-95.
90
90
108
90
60
90
0,55
50
54
50
54
53
78
0,65
41
46
41
46
49
72
65
130
120
100
75
0,70
34
38
34
38
45
66
0,75
29
32
29
32
43
60
0,80
25
27
25
27
42
54
0,85
24
26
24
26
41
48
0,90
Модуль упругости Еупр, МПа, при относительной влажности W/Wт
Суглинки
- легкий, тяжелый
- легкий пылеватый,
тяжелый пылеватый
108
70
Супеси
- легкая пылеватая,
- тяжелая пылеватая
- легкая крупная
96
0,50
Пески
- крупные
- средней крупности
- мелкие
- однородные
- пылеватые
Грунт
Расчетные значения модулей упругости грунтов
23
25
23
25
40
43
0,95
Таблица 4.14
56
8%
5%
0%
31
0,003
31
0,005
31
0,006
32
0,004
33
0,005
35
0,004
34
0,005
1
28
0,003
27
0,004
27
0,005
30
0,004
30
0,004
33
0,003
31
0,004
103
27
0,002
26
0,004
26
0,004
30
0,003
29
0,003
32
0,003
30
0,004
104
26
0,002
25
0,004
25
0,003
28
0,003
28
0,003
31
0,003
29
0,003
105
25
0,002
24
0,003
23
0,002
27
0,002
26
0,002
29
0,003
28
0,003
≥ 106
Угол внутреннего трения, град / сцепление, МПа, при суммарном
приложении нагрузки ∑Nр
Примечания: 1. Значения характеристик даны для условий полного заполнения пор водой.
2. В числителе – угол внутреннего трения в градусах, в знаменателе – сцепление в МПа.
3. Значения для супеси легкой крупной принимать как для песка мелкого с содержанием пылевато-глинистой фракции
8%
Песок мелкий с содержанием пылеватоглинистой фракции:
5%
0%
Песок средней крупности с содержанием пылевато-глинистой фракции:
5%
Песок крупный с содержанием пылевато0%
глинистой фракции:
Тип грунта
Таблица 4.15
Расчетные значения сдвиговых характеристик песков и песчаных слоев в зависимости от расчетного числа
приложения расчетной нагрузки (∑Nр)
4.5. Расчетные характеристики материалов конструктивных слоев
При проектировании дорожных одежд значения прочностных характеристик дорожно-строительных материалов и грунта должны соответствовать характеру приложения нагрузки. Дорожные одежды на перегонах рассчитывают
на кратковременное воздействие подвижных нагрузок. Одежды на остановках,
перекрестках дорог, на подходах к пересечениям с железнодорожными путями
должны быть дополнительно проверены на однократное нагружение при его
продолжительности не менее 10 минут.
Расчетными характеристиками монолитных слоев являются модуль упругости Е (МПа) и сопротивление растяжению при изгибе R0 (МПа). При расчете
дорожных конструкций со слоями из битумоминеральных материалов учитывают влияние температуры на их прочностные свойства. Для расчета по каждому критерию прочности характеристики слоев асфальтобетонного покрытия
принимают по следующим правилам:
1. При расчете дорожной одежды по упругому прогибу модули упругости
слоев из асфальтобетонов во всех дорожно-климатических зонах принимают
соответствующими температуре +10 0С (табл. 4.16).
2. При расчете слоев из слабосвязных материалов, а также грунта на сопротивление сдвигу модуль упругости слоев асфальтобетона должен соответствовать весенним повышенным температурам: в I и II дорожно-климатических
зонах – +20 0С, в III – +30 0С, в IV – +40 0С, в V – +50 0С (табл. 4.16).
3. При расчете слоев асфальтобетонного покрытия на растяжение при изгибе его характеристики должны соответствовать низким весенним температурам (табл.4.17).
4. Расчетные значения модуля упругости асфальтобетона при расчете на
статическое действие нагрузки принимают: при расчете слоев из слабосвязных
материалов на сопротивление сдвигу соответствующими весенним повышенным температурам, при расчете слоев асфальтобетона на сдвиг – +50 0С
(табл.4.18). Расчетные характеристики грунта при этом уменьшают на 15%.
Прочностные характеристики конструктивных слоев из органоминеральных смесей и грунтов, обработанных органическими и комплексными вяжущими, принимают согласно ГОСТ 30491-97 «Органоминеральные смеси»
(табл.4.19), для конструктивных слоев из черного щебня значения модуля упругости принимаются по табл.4.20.
Прочностные характеристики конструктивных слоев из материалов, обработанных неорганическими вяжущими, принимают согласно ГОСТ 22355894 по табл.4.21, из активных материалов (шлаков, шламов и т.д.) - по табл.4.22,
из неукрепленных материалов - согласно ГОСТ 25607-94, ГОСТ 3344-83 и
ГОСТ 2507-94 по табл.4.23 и 4.24, характеристики теплоизоляционных слоев по табл.4.25.
57
58
-
1300
1100
900
750
2000
-
2800;2000;1400
1100;950
Вязкого БНД и БН:
40/60; 60/90; 90/130
130/200;200/300
3800
1000;1000
800;800
Жидкого:
БГ-70/130; СГ-130/200
СГ-70/130; МГ-70/130
-
4400;3200;2400
1500;1200
+10
Вязкого БНД и БН:
40/60; 60/90; 90/130
130/200;200/300
Марка битума
-
300
1500
1700;1200;800
600;450
420;420
360;360
2600;1800;1200
800;600
+20
-
400
800
900;700;510
400;350
400;400
350;350
1550;1100;550
670;500
+30
-
350
500
540;460;380
340;330
350;350
350;350
850;650;550
460;420
+40
-
300
350
390;360;350
340;330
350;350
350;350
520;460;420
380;360
+50 (60)
Примечания: 1. Модули упругости пористого и высокопористого асфальтобетона даны применительно к песчаным смесям. При
температуре от 30 до 50 0С модули упругости для мелкозернистых смесей следует увеличить на 10%, а для крупнозернистых смесей – на 20%.
2. При расчете на упругий прогиб модули упругости принимать при t=+100 С.
Асфальтобетоны холодные
Бx
Вx
Гx
Дx
Плотный
дегтебетон
Пористый
дегтебетон
Пористый и
высокопористый асфальтобетон
Плотный асфальтобетон и
высокоплотный асфальтобетон
Материал
Кратковременный модуль упругости Е, МПа, при температуре покрытия, 0С
Таблица 4.16
Нормативные значения кратковременного модуля упругости асфальтобетонов различных составов
(при расчете конструкции по допускаемому упругому прогибу и условию сдвигоустойчивости)
Таблица 4.17
Характеристики асфальтобетонов при расчете на растяжение при изгибе
под кратковременными нагрузками
Асфальтобетон
Расчетный
модуль
упругости
Е, МПа
m
α
Расчетное
сопротивление растяжению при изгибе R0 , Мпа
8600
6000
4600
3500
2500
6,0
5,5
5,0
4,5
4,3
5,0/5,6*
5,2/5,9
5,4/6,3
5,8/6,8
5,9/7,1
10,00
9,80
9,50
9,30
9,00
6000
4500
3600
2600
2000
6,0
5,5
5,0
4,5
4,3
5,0/5,6
5,2/5,9
5,4/6,3
5,8/6,8
5,9/7,1
10,00
9,80
9,50
9,30
9,00
3600
2800
2200
1800
1400
4,5
4,3
4,0
3,75
3,7
5,8/6,8
5,9/7,1
6,3/7,6
6,6/8,2
6,7/8,2
8,30
8,00
7,80
7,60
7,10
3000
2100
1700
4,3
4,0
3,8
5,9/7,1
6,3/7,6
6,5/7,9
5,50/6,50**
5,65/6,20
5,50/ –
2600
2200
1800
1500
3,0
2,5
2,0
2,0
8,0/10,3
9,8/13,4
13,2/19,
5
13,2/19,
5
4,90
4,60
4,20
3,90
Высокоплотный на БНД марки
40/60
60/90
90/130
130/200
200/300
Плотный на БНД марки
40/60
60/90
90/130
130/200
200/300
Пористый на БНД марки
40/60
60/90
90/130
130/200
200/300
Высокопористый на БНД мар40/60
ки
60/90
90/130
Холодные асфальтобетоны
Бx
Вx
Гx
Дx
Примечание. * - в числителе – для II дорожно-климатической зоны, в знаменателе – для III-V дорожно-климатических зон. ** - для песчаного асфальтобетона.
59
Таблица 4.18
Расчетные значения модуля упругости асфальтобетона при расчете
на длительную нагрузку
Вид асфальтобетона
Тип смеси
Расчетный модуль упругости Е при статическом
действии нагрузки, при расчетной температуре,0С
+20
+30
+40
+50
Крупнозернистая
Мелкозернистая
Песчаная
480
400
320
300
200
360
290
250
420
350
280
270
180
320
250
225
360
300
240
220
160
280
220
200
300
250
200
200
150
250
200
190
Бx
Вx
Гx
Дx
180
170
160
150
-
-
-
Плотные
смеси
А
Б
В
Г
Д
Пористые и
высокопористые смеси
Асфальтобетоны холодные
Примечание. Модуль упругости высокоплотного асфальтобетона принимать как для плотного
асфальтобетона типа А.
Таблица 4.19
Конструктивные слои из щебеночно-гравийно-песчаных смесей и грунтов,
обработанных органическими и комплексными вяжущими
(ГОСТ 30491-97 «Органоминеральные смеси»)
Расчетное значение
модуля упругости
Е, МПа
Материал слоя
Щебеночно-гравийно-песчаные смеси и крупнообломочные
грунты (оптимального / неоптимального состава), обработанные
- жидкими органическими вяжущими или вязкими, в т.ч.
эмульгированными органическими вяжущими
- жидкими органическими вяжущими совместно с минеральными или эмульгированными органическими вяжущими
совместно с минеральными
Пески гравелистые, крупные, средние / пески мелкие, супесь
легкая и пылеватая, суглинки легкие, обработанные
- жидкими органическими вяжущими или вязкими, в т.ч.
эмульгированными органическими вяжущими
- жидкими органическими вяжущими совместно с минеральными или эмульгированными органическими вяжущими
совместно с минеральными
60
450/350
950/700
430/280
700/600
Таблица 4.20
Конструктивные слои из черного щебня
Расчетное значение модуля упругости Е, МПа
Материал слоя
Черный щебень, уложенный по способу заклинки
Слой из щебня, устроенного по способу пропитки
вязким битумом и битумной эмульсией
600-900
400-600
Примечание. Большие значения – для покрытий, меньшие – для оснований.
Таблица 4.21
Конструктивные слои из щебеночно-гравийно-песчаных смесей и грунтов,
обработанных неорганическими вяжущими материалами (ГОСТ 223558-94)
Расчетное значение
модуля упругости Е,
МПа
Материал слоя
Щебеночно-гравийно-песчаные смеси, крупнообломочные грунты
(оптимальное / неоптимальное), обработанные цементом,
20
соответствующие марке
То же, обработанные зольным или шлаковым вяжущим,
соответствующие марке
40
60
75
100
500/400
600/550
800/700
870/830
1000/950
20
40
60
75
100
450/350
550/500
750/650
870/780
950/910
Пески гравелистые, крупные, средние / пески мелкие и пылеватые,
супесь легкая и тяжелая, суглинки легкие, обработанные цементом,
соответствующие марке
20
То же, обработанные зольным или шлаковым вяжущим,
соответствующие марке
61
40
60
75
100
400/250
550/400
700/550
870/750
950/870
20
40
60
75
100
300/200
450/300
600/450
730/600
870/750
Таблица 4.22
Конструктивные слои из активных материалов (шлаки, шламы, фосфогипс)
Расчетное значение модуля упругости Е, МПа
Материал слоя
Основание из подобранных оптимальных смесей из высокоактивных материалов с максимальной крупностью зерен
до 40 мм, уплотненных при оптимальной влажности
То же, из активных материалов
Основание из рядовых неоптимальных смесей из высокоактивных материалов с максимальной крупностью 70 мм
То же, из активных материалов
650-870
480-700
450-650
370-480
Примечания: 1. К высокоактивным относятся материалы, имеющие прочность при сжатии
от 5 до 10 МПа в возрасте 90 сут.
2. К активным – материалы, имеющие прочность при сжатии от 2,5 до 5 МПа
в том же возрасте.
Таблица 4.23
Конструктивные слои из смесей щебеночно-гравийно-песчаных
(ГОСТ 25607-94 и ГОСТ 3344-83)
Расчетное значение модуля упругости Е, МПа
Материал слоя
Щебеночные / гравийные смеси (С) для покрытий
- непрерывная гранулометрия (ГОСТ 25607)
при максимальном размере зерен
С1 – 40 мм
300/280
С2 – 20 мм
290/265
С3 – 120мм
280/240
С4 – 80 мм
275/230
С5 – 80 мм
260/220
С6 – 40 мм
250/200
С7 – 20 мм
240/180
Смеси для оснований
- непрерывная гранулометрия
Шлаковая щебеночно-песчаная смесь из неактивных
и слабоактивных шлаков (ГОСТ 33)
62
С1 – 70 мм
275
С2 – 70 мм
260
С4 – 40 мм
250
С6 – 20 мм
210
Таблица 4.24
Щебеночные основания, устраиваемые методом заклинки (ГОСТ 25607-94)
Расчетное значение модуля упругости Е, МПа
Материал слоя
Щебень фракционированный 40-80 (80-120) мм с заклинкой:
-фракционированным мелким щебнем
450
350
-известняковой мелкой смесью или активным мелким шлаком
400
300
-мелким высокоактивным шлаком
450
400
-асфальтобетонной смесью
500
450
- цементопесчаной смесью М75 при глубине пропитки 0,25-0,75
h слоя
450-700
350-600
Примечание. В числителе – из легкоуплотняемого щебня; в знаменателе – из трудноуплотняемого
щебня.
Таблица 4.25
Механические характеристики теплоизоляционных слоев
Материал слоя
Расчетное значение модуля
упругости
Е, МПа
Пенопласт
13,0-33,5
Стиропорбетон
500-800
Аглопоритовый щебень, обработанный вязким битумом
400
Керамзитовый гравий, обработанный вязким битумом
500
Гравий (щебень) с легкими заполнителями, обработанный вязким
битумом
Цементогрунт с перлитом
500
То же, с полистиролом, состава: гранулы полистирола 2-3%; песок 97-98% от массы; цемент 7-6%
То же, с керамзитом, состава: песок 75%; керамзит 25%; цемент
6%
Битумоцементогрунт с перлитом, состава: перлитовый щебень 2025%; песок 75-80% ; цемент 4-6%; битум 10-12% от массы песка, перлита и цемента
Цементогрунт с аглопоритом, состава: супесь или песок 70-80% ;
аглопорит 20-30%; цемент 6%
Золошлаковые смеси, укрепленные цементом
300
Грунт, укрепленный золой уноса
130
300
250-350
250-350
150
200
63
Вопросы для самопроверки
1. Что такое расчетный автомобиль и каковы его основные параметры?
2. Какая схема нагрузки используется при расчетах нежестких дорожных
одежд?
3. Как определяется интенсивность воздействия расчетной нагрузки?
4. От каких параметров зависит суммарный коэффициент приведения
транспортных средств к расчетной нагрузке?
5. От каких параметров зависит суммарное число приложений расчетной
нагрузки за срок службы дорожной одежды?
6. Что такое эквивалентный модуль упругости дорожной конструкции?
7. В какой последовательности определяется общий модуль упругости дорожной одежды?
8. Что такое требуемый модуль упругости дорожной одежды?
9. Что такое надежность работы дорожной конструкции и ее отказ ?
10. Как определяется требуемый уровень проектной надежности?
11. От каких параметров зависит требуемый коэффициент прочности дорожной одежды?
12. Как определяются расчетные характеристики грунтов земляного полотна
с учетом заданной надежности?
13. Как определяются расчетные характеристики прочности асфальтобетона
на растяжение при изгибе с учетом надежности?
14. Каковы основные расчетные параметры физико-механических свойств
грунтов земляного полотна?
15. От чего зависит расчетная относительная влажность грунта земляного
полотна?
16. От каких факторов зависят расчетные значения сцепления и угла внутреннего трения грунтов при расчете дорожных одежд?
17. Какие прочностные характеристики монолитных слоев используются
при расчете нежестких дорожных одежд?
18. От каких параметров зависит модуль упругости асфальтобетона?
19. Для каких расчетных температур определяются модули упругости слоев
из асфальтобетонов при расчете дорожной одежды по упругому прогибу
?
20. Для каких расчетных температур определяются модули упругости слоев
из асфальтобетонов при проверке слоев из слабосвязных материалов и
грунта на сопротивление сдвигу?
21. Для каких температур определяются модули упругости слоев из асфальтобетонов при их расчете на растяжение при изгибе?
64
5. РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
5.1. Установление категории дороги и выбор расчетных параметров
В соответствии с действующими нормами проектирования при назначении категории автомобильной дороги определяют интенсивность движения на
перспективный период, равный 20 годам. На этот срок проектируют элементы
плана, продольного и поперечного профилей, в том числе и земляного полотна,
являющегося неотъемлемой частью конструкции дорожной одежды.
Категорию дороги определяют по перспективной интенсивности движения, которую вычисляют по формуле
Nt =N0 (1 +p% /100)t ,
(5.1)
где Nt – среднегодовая суточная интенсивность движения на год эксплуатации
t, авт/сут; t – перспективный период для назначения категории дороги, лет (t
=20); N0 – среднегодовая суточная интенсивность движения на начальный год
расчетного периода, авт/сут; p% – рост интенсивности движения, %.
Среднесуточная интенсивность движения на начальный год расчетного
периода вычисляется по формуле
N0 = Nгр + Nл + Nавт ,
(5.2)
где Nгр - интенсивность движения грузовых автомобилей, авт/сут; Nл - то же,
легковых автомобилей, авт/сут; Nавт – то же, автобусов, авт/сут.
Среднегодовую суточную интенсивность движения автомобилей (Nсс) устанавливают на основе данных о размерах грузонапряженности и пассажиронапряженности в структуре транспортного потока, которые рассчитывают по
формуле
Nсс =Qг⋅ K / (D⋅ qср⋅ β⋅ γ) ,
(5.3)
где Qг – грузонапряженность перегона для грузовых автомобилей, т⋅км/км (или
пассажиронапряженность перегона для автобусов и легковых автомобилей,
пасс⋅км/км); К – коэффициент, учитывающий наличие в составе движения грузовых и легковых автомобилей, не перевозящих грузы или пассажиров (в расчетах принимают равным 1,15 – 1,25); D – число дней в году работы автотранспорта (D= 365); qср – средняя грузоподъемность грузовых автомобилей, т; или
средняя вместимость автобусов или легковых автомобилей, пасс; β - коэффициент использования пробега; γ - коэффициент использования грузоподъемности или вместимости для автобусов или легковых автомобилей.
Среднюю грузоподъемность грузовых автомобилей вычисляют по формуле
qcp = q1⋅a1 + q2⋅a2 +. . .+ qn⋅an,
(5.4)
где q1, q2, … qn – номинальная грузоподъемность разных марок грузовых автомобилей, входящих в состав транспортного потока, т; а1, а2, … аn – удельный
вес каждой из марок автомобилей в долях единицы.
65
Среднюю вместимость автобусов принимают для дорог:
- федерального значения - 40 чел.,
- регионального и областного значения - 35 чел.,
- местного значения - 25 чел.
Вместимость легковых автомобилей на всех дорогах 4 - 5 чел.
По расчетной перспективной интенсивности движения определяют категорию дороги согласно данным СНиП 2.05.02-85 [1], приведенным в табл.5.1.
Таблица 5.1
Категории автомобильных дорог в зависимости от перспективной
интенсивности движения
Перспективная интенсивность движения в транспортных единицах, авт/сут
Категория дороги
свыше 7000
3000 - 7000 1000 - 3000 100 -1000
I-a, I-б, I-в
II
III
до 100
IV
V
В зависимости от категории автомобильной дороги в соответствии с
ОДН 218.046-01 [2] принимается тип дорожной одежды и вид покрытия (см.
табл.2.1), а также следующие расчетные параметры:
- расчетный автомобиль (наиболее тяжелый автомобиль в составе движения,
доля которого не менее 10 % от перспективной интенсивности движения) и
параметры расчетной нагрузки (Dд, Dн , p) в соответствии в данными табл. 4.1;
- минимальные коэффициенты прочности в соответствии с заданным уровнем надежности - по табл. 4.8;
- перспективную интенсивность воздействия расчетной нагрузки Nр на последний год срока службы дорожной одежды, рассчитанную по формуле (4.2);
- суммарное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности
конструкции дорожной одежды за срок службы, рассчитанное по формуле (4.8).
5.2. Определение минимального требуемого модуля упругости
конструкции дорожной одежды
Величину требуемого модуля упругости дорожной одежды (Е
деляют по формуле
Етрmin= 98,65 [lg (ΣNp) - c],
тр
min)
опре(5.5)
где ∑Nр – суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок
службы дорожной одежды; с – эмпирический параметр, принимаемый равным
для расчетной нагрузки на ось: 100 кН – 3,55,
110 кН – 3,25,
130 кН – 3,05,
115 кН – 3,20.
66
Формулой (5.5) следует пользоваться при ∑Nр > 4⋅104. Для дорог в V дорожно-климатической зоне требуемый модуль упругости, определенный по
формуле (5.5), следует уменьшить на 15%.
Требуемый модуль упругости, рассчитанный по формуле (5.5), сравнивается с минимально допустимым значением, приведенным в табл.5.2, и к расчету
дорожной одежды принимается большее значение.
Таблица 5.2
Минимальные значения требуемого модуля упругости
Категория дороги
I
II
III
IV
V
Суммарное минимальное
расчетное число приложений
расчетной нагрузки на наиболее нагруженную полосу
750000
500000
375000
110000
40000
Требуемый модуль упругости
дорожной одежды, МПа
капитальной
облегченной
переходной
230
220
200
-
210
200
150
100
100
50
5.3. Расчет дорожной одежды на прочность
Под прочностью дорожной одежды понимают ее способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием касательных и нормальных напряжений от расчетной нагрузки, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте.
Задача расчета - определение толщин слоев или выбор материалов с известными прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.
Дорожные одежды на перегонах дорог рассчитывают на кратковременное
многократное действие подвижных нагрузок. Одежды на остановках, перекрестках дорог, на подходах к пересечениям с железными дорогами и т.п. рассчитывают дополнительно на однократное нагружение при продолжительности нагружения не менее 10 мин. Одежды на стоянках автомобилей и обочинах дорог
следует рассчитывать на продолжительное нагружение (более 10 мин.). Расчет
ведут по критерию сдвига в грунтах и слабосвязных материалах, а также в слоях, обработанных органическим вяжущим.
5.3.1. Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу
Конструкция дорожной одежды в целом удовлетворяет требованиям
прочности и надежности по величине упругого прогиба, если выполняется условие
тр
Eоб ≥ Emin
⋅ K пртр ,
(5.6)
тр
где Еоб - общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа; Emin - минитр
мальный требуемый общий модуль упругости конструкции, МПа; K пр - требу-
67
емый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию упругого прогиба, принимаемый в зависимости от заданного уровня надежности (см.табл. 4.8).
Расчет проводят в соответствии с расчетной схемой, приведенной на
тр
рис.5.1, которая составлена с учетом требуемого модуля Emin упругости и общего модуля упругости дорожной конструкции Еоб.
Производят послойный расчет многослойной конструкции сверху вниз и
снизу вверх, определяя толщину одного из слоев основания. При расчетах используют номограмму, приведенную на рис. 5.2. Расчет ведут в следующей последовательности:
1. Рассчитывают отношения h1/Dд и Еоб
/Е1, по номограмме определяют отношение Е′об /Е1 = α1 и вычисляют
Е′об = Е1⋅ α1
2. Рассчитывают отношения h2 /Dд и
Е′об /Е2, по номограмме определяют отношения Е′′об /Е2 = α2 и вычисляют
Е′′об = Е2⋅ α2
3. Для определения толщины третьего
слоя сначала находят Е′′′об.
Рис.5.1. Расчетная схема
Для этого рассчитывают отношения Егр /Е4 и h4 /Dд, по номограмме находят отношение Е′′′об /Е4 = α3 и вычисляют Е′′′об = Е4 α3.
4. Рассчитывают отношения Е′′об /Е3 и Е′′′об /Е3, по номограмме находят
отношение h3 /Dд =α4, вычисляют h3=Dд⋅α4
5. Определяют общую толщину дорожной одежды: hд.о. = ∑hi.
5.3.2. Расчет по условию сдвигоустойчивости подстилающего
грунта и слабосвязных конструктивных слоев
При действии расчетной нагрузки в слоях, не обладающих большой связностью, и в грунте земполотна не должно возникать сдвига, приводящего к деформациям дорожных одежд. Условия устойчивости против сдвига в некоторой
точке слоя из несвязных материалов представлены зависимостью Кулона
τ max < σ ⋅ tgϕ + С ,
τ max − σ ⋅ tgϕ < С ,
(5.7)
максимальное касательное напряжение, МПа; σ – номинальная
или
где τmax –
составляющая напряжений к площадке, по которой действуют максимальные
касательные напряжения, МПа; φ – угол внутреннего трения несвязного материала, град; С – сцепление, МПа.
68
69
Рис.5.2. Номограмма для определения общего модуля упругости двухслойной системы
Левую часть преобразованного выражения τ max − σ ⋅ tgϕ = Т акт называют активным напряжением сдвига, которое обычно имеет максимальное значение под центром нагруженной площадки, на контакте между слоями или несколько ниже.
Активное напряжение сдвига от временной нагрузки, соответствующее
условию предельного равновесия в наиболее напряженной точке подстилающего дорожную одежду грунта под центром приложения нагрузки, выражается зависимостью
Т акт =
1
[(σ 1 − σ 3 ) − (σ 1 + σ 3 ) sin ϕ ],
2 cos ϕ
(5.8)
где σ1, σ3 – максимальное и минимальное главные напряжения в данной точке,
определяемые после приведения дорожной одежды к эквивалентной двухслойной, МПа; φ – угол внутреннего трения, град.
На активное напряжение сдвига оказывает влияние собственный вес слоев дорожной одежды, расположенных выше рассматриваемого слоя.
Дорожную одежду проектируют из условия, что под действием кратковременных или длительных нагрузок в подстилающем грунте и малосвязных
слоях за весь срок службы не накапливаются недопустимые остаточные деформации. Это возможно при выполнении условия
Tnp / T ≥ Kmpnp ,
(5.9)
где Тпр – предельно допустимое активное напряжение сдвига в расчетной точке, превышение которого вызывает нарушение прочности по сдвигу, МПа; Т–
расчетное активное напряжение сдвига в расчетной точке от действующей натр
грузки, МПа; Кпр – требуемое минимальное значение коэффициента прочности по критерию сдвига (см. табл. 4.8).
Активное напряжение сдвига вычисляют по формуле
T = τ н ⋅ р,
(5.10)
где τ н – удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки, определяемое по номограмме, МПа (рис.5.3 или рис. 5.4); р – расчетное давление
колеса на покрытие, МПа (см.табл. 4.1).
Предельно допустимое активное напряжение сдвига Тпр в грунте рабочего слоя или в песчаном промежуточном слое определяют по формуле
Tпр = К д (С N + 0,1γ ср ⋅ z оп ⋅ tgϕ ст ),
(5.11)
где Кд - коэффициент, учитывающий особенности работы конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания; СN - сцепление в
грунте земляного полотна или промежуточном песчаном слое, МПа; γср - средний
70
71
E1
E2, φ , С
0
D
P
h
Рис.5.3 . Номограмма для определения активного напряжения сдвига от временной нагрузки в нижнем слое
двухслойной системы (при h/D = 0÷2,0)
1
2
72
0
1,5
0,015
1,0
0,01
0,02
2,0
10
1
E1
18
P
14
E 2, φ , С
0
D
16
0,035
20
0,03
22
0,025
24
3,5
26
3,0
28
2,5
E =5
2
E
30
h
h/D
6
8
10
tам
12
Рис.5.4 . Номограмма для определения активного напряжения сдвига от временной нагрузки в нижнем слое
двухслойной системы (при h/D = 0÷4,0)
0,005
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
50
15
25 20
40 30
7
46 44 42 40 38 36 34 32
удельный вес конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя,
кг/см3, (принимают в среднем 0,002 кг/см3); zоп – глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость, от верха конструкции,
см; ϕст - расчетная величина угла внутреннего трения материала проверяемого
слоя при статическом действии нагрузки, град.
При устройстве нижнего слоя несущего основания из укрепленных материалов, а также при укладке на границе «основание - песчаный слой» разделяющей геотекстильной прослойки следует принимать значения Кд равными:
4,5 – при использовании в песчаном слое крупного песка,
4,0 – песка средней крупности,
3,0 – мелкого песка,
2,0 – без укладки разделительной прослойки,
1,0 – при проверке сдвигоустойчивости в глинистом грунте земляного
полотна и во всех остальных случаях.
5.3.2.1. Расчет дорожной одежды на сдвиг в грунте земляного полотна
Для проведения расчетов многослойную дорожную одежду приводят к
двухслойной расчетной модели, схема которой приведена на рис.5.5. В качестве
нижнего слоя принимают грунт земляного полотна, а в качестве верхнего – всю
дорожную одежду. Толщина верхнего слоя h равна сумме толщин слоев до⎛
n
⎞
⎝
1
⎠
рожной одежды ⎜ ∑ hi ⎟ . Наибольшее активное напряжение сдвига в грунте возникает под центром приложенной нагрузки на контакте основания с рабочим
грунтом.
Расчет ведут в следующей последовательности:
1. Модуль упругости верхнего слоя вычисляют как средневзвешенный по формуле
n
Eср = ∑ Ei hi
i =1
Рис.5.5. Расчетная схема
n
∑h ,
i =1
i
(5.12)
где n - число слоев дорожной одежды; Ei - модуль упругости i-го слоя, МПа; hi - толщина i-го
слоя, см.
2. Рассчитывают отношения Еср /Егр и ∑h/Dд
и по номограмме (рис.5.3 или 5.4) для ϕгр находят удельное активное напряжение сдвига от
единичной нагрузки τ н (последовательность расчета по номограмме указана
стрелками). Активное напряжение сдвига вычисляют по формуле (5.10).
3. Рассчитывают предельное активное напряжение сдвига Тпр по формуле
(5.11).
73
4. Проверяют дорожную одежду по условию сдвига, т.е. выполнение условия (5.9).
Если это условие не выполняется, то
- увеличивают толщину какого-либо слоя или нескольких слоев дорожной одежды, или
- увеличивают величину Еср путем замены материала какого-либо слоя
на слой с более высоким модулем упругости, или
- заменяют или укрепляют грунт земляного полотна.
Для измененной конструкции дорожной одежды повторяют расчет на сдвиг.
5.3.2.2. Расчет промежуточных слоев из слабосвязных материалов
на сдвиг
В конструкциях дорожных одежд капитального и облегченного типа слои
из слабосвязных материалов проверяют на условие возникновения остаточных
деформаций под действием сдвигающих напряжений. К таким слоям дорожной
одежды относятся слои из гравийных, песчаных, гравийно-песчаных смесей, а
также из материалов и грунтов, укрепленных жидким вяжущим.
Расчет ведут в соответствии с расчетной схемой, приведенной на рис. 5.6,
в следующей последовательности:
1. Многослойную конструкцию приводят
к двухслойной модели (см. рис. 5.6).
2. Определяют толщину верхнего слоя:
Σ h=h1 + h2 + h3.
(5.13)
3. Определяют средний модуль упругости
верхнего слоя:
Eср =
Рис.5.6. Схема приведения
многослойной системы
к двухслойной
Е1 ⋅ h1 + E2 ⋅ h2 + E3 ⋅ h3
. (5.14)
h
∑
4. Вычисляют отношения Еср /Е′′′об и
∑h/Dд, по номограмме (см. рис.5.3 или 5.4)
для ϕ материала слоя находят удельное активное напряжение сдвига
нагрузки.
τн
от единичной
5. Активное напряжение сдвига вычисляют по формуле (5.10).
6. Вычисляют предельное активное напряжение сдвига Тпр по формуле
(5.11).
7. Вычисляют отношение Тпр /Т и проверяют выполнение условия (5.9).
Если это условие не выполняется, то следует увеличить толщину какого-либо
из вышележащих слоев, а толщину рассчитываемого слоя – уменьшить.
74
5.3.3. Расчет монолитных слоев на сопротивление
усталостному разрушению от растяжения при изгибе
Напряжения, возникающие при прогибе монолитных слоев дорожной
одежды (из асфальтобетона, дегтебетона, материалов и грунтов, укрепленных
комплексными и неорганическими вяжущими и др.) под действием повторных
кратковременных нагрузок, не должны приводить к образованию трещин от усталостного разрушения. Это возможно при выполнении условий
σr ≤ RN / Kmpnp или RN / σr ≥ Kmpnp ,
(5.15)
где RN – прочность материала слоя на растяжение при изгибе, МПа; σr –
наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое, устанавливаемое расчетом, МПа.
Наибольшее растягивающее напряжение σr при изгибе в монолитном
слое рассчитывается по формуле
σ r = σ r ⋅ p ⋅ Kв ,
(5.16)
где σ r - растягивающее напряжение от единичной нагрузки, определяемое по номограмме (рис.5.7); Кв - коэффициент, учитывающий особенности
напряженного состояния покрытия конструкции (под спаренным баллоном
принимают 0,85, при расчете на одно баллонное колесо – 1,0) ; р – расчетное
давление колеса на покрытие, МПа.
Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе ведется в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис.5.8.
Многослойную конструкцию дорожной одежды приводят к двухслойной,
у которой первый слой – слои из асфальтобетона, второй слой – основание и
грунт земляного полотна. Расчет производят в следующей последовательности:
1. Вычисляют средний модуль упругости асфальтобетонных слоев:
Еср = (Е1⋅h1+ Е2⋅h2) / (h1+ h2).
(5.17)
2. Находят значение общего модуля упругости слоев, лежащих ниже асфальтобетонных Еоб.осн = Е′′об (см. рис.5.8).
3. Определяют отношение
∑h/Dд = ( h1 + h2) / Dд .
(5.18)
4. По отношениям ∑h/Dд и Еср /Еоб.осн находят растягивающее напряжение
σ r от единичной нагрузки по номограмме (рис.5.7).
5. Рассчитывают полное растягивающее напряжение по формуле (5.16).
75
Рис.5.7. Номограмма для определения растягивающего напряжения при
изгибе в верхнем монолитном слое двухслойной системы
76
6. Определяют прочность материала
монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе по формуле
R N = R0 ⋅ k1 ⋅ k 2 (1 − ν R ⋅ t ),
(5.19)
где R0 – нормативное предельное сопротивление растяжению при изгибе для
расчетной низкой весенней температуры
при однократном приложении нагрузки
(см. табл.4.17); k1 – коэффициент, учитыРис.5.8. Схема для расчета
монолитных слоев покрытия на вающий снижение прочности вследствие
усталостных явлений при многократном
растяжение при изгибе
приложении нагрузки;
k2 – коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов (табл.5.3); νR – коэффициент вариации
прочности на растяжение при изгибе, νR = 0,1; t – коэффициент нормативного
отклонения, принимается в зависимости от заданного уровня надежности (см.
табл.4.9).Коэффициент k1 вычисляют по формуле
k1 =
α
m
∑N
,
(5.20)
p
где ∑Nр – суммарное число приложений расчетной нагрузки за срок
службы монолитного покрытия; m – показатель степени, зависящий от свойств
материала слоя (см. табл.4.17); α - коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой (см.
табл.4.17).
7. Вычисляют отношение RN /σr и проверяют выполнение условий (5.15).
Если эти условия не выполняются, то производится корректировка слоев дорожной одежды.
Таблица 5.3
Значение коэффициента k2
Материал расчетного слоя
Асфальтобетон высокоплотный
Плотный: I марки
II марки
k2
1,0
0,95
0,90
Материал расчетного слоя
III марки
Пористый и высокопористый
Органоминеральные смеси
77
k2
0,80
0,80
0,80
5.4. Расчет дорожной одежды на статическое воздействие нагрузки
Дорожные одежды на остановках, перекрестках дорог, на подходах к пересечениям с железнодорожными путями и т.д. должны быть дополнительно
проверены на однократное воздействие нагрузки при продолжительности нагружения не менее 10 мин.
Дорожные одежды на стоянках автомобилей и обочинах дорог следует
рассчитывать на продолжительное нагружение (более 10 мин.). Расчет ведут по
критериям:
- сдвига в грунте земляного полотна и слабосвязных материалах,
- сдвига в слое асфальтобетона.
Расчет дорожной одежды по сдвигу в грунте и слабосвязных материалах
производят аналогично расчету на динамическое воздействие нагрузки, используя в расчетах диаметр отпечатка шины для неподвижного колеса Dн
(см.табл.4.1).
Модуль упругости грунта при расчетах на воздействие статической нагрузки следует уменьшать на 15%.
При расчете дорожной одежды на длительное действие нагрузки используют значения модулей упругости асфальтобетона, приведенные в табл. 5.4, а
расчетные характеристики для определения допускаемого сопротивления асфальтобетона сдвигу принимают по данным табл. 5.5.
Таблица 5.4
Значения модуля упругости асфальтобетона при длительном
воздействии нагрузки
Вид
асфальтобетона
Плотные смеси
Тип смеси
А
Б
В
Г
Д
Пористые и
Крупнозернистая
высокопористые Мелкозернистая
смеси
Песчаная
Асфальтобетоны
Бx
холодные
Вx
Гx
Дx
Расчетный модуль упругости при статическом действии нагрузки, МПа,
при расчетной температуре, ˚С
+20
+30
+40
+50
480
420
360
300
400
350
300
250
320
280
240
200
300
270
220
200
200
180
160
150
360
320
280
250
290
250
220
200
250
225
200
190
180
170
160
150
-
Примечание. Модуль упругости высокоплотного асфальтобетона принимать как для плотного асфальтобетона типа А.
78
Таблица 5.5
Расчетные характеристики для определения допускаемого сопротивления
асфальтобетона сдвигу
Вид смеси асфальтобетонных слоев
Крупнозернистая
Мелкозернистая
Песчаная
Характеристика асфальтобетона для расчета на
Комплексный
Сцепление Саб, МПа
коэффициент K
1,6
0,30/0,27
1,1
0,20/0,17
0,9
0,15/0,13
Примечания: 1. В числителе дано сцепление для горячих смесей из вязких битумов, а в знаменателе – для смесей с битумом 130/300.
2. Если асфальтобетон приготовлен с применением дробленого песка, то сцепление нужно увеличить на 20%.
Цель расчета асфальтобетона на сопротивление сдвигу состоит в проверке соответствия свойств выбранной асфальтобетонной смеси (для покрытия или
верхнего слоя основания) условию сдвигоустойчивости под воздействием нагрузки.
Расчет асфальтобетона на сдвиг производят для самого жаркого месяца
года. За расчетную принимают температуру +50˚С и в соответствии с этой температурой выбирают расчетные характеристики (см. табл. 5.4).
Расчет ведут по нижнему слою асфальтобетона в конструкции - верхнему
слою основания (см. рис. 2.1).
Асфальтобетон работает в верхнем слое основания без накопления остаточных деформаций, если выполняется условие
Tnp / T ≥ Kmpnp ,
(5.21)
где Тпр – предельно допустимое активное напряжение сдвига в расчетной точке,
превышение которой вызывает нарушение прочности на сдвиг, МПа; Т – расчетное активное напряжение сдвига в расчетной точке от действующей нагрузки, МПа; Кпртр– требуемое минимальное значение коэффициента прочности.
Активное напряжение сдвига τн, действующее в асфальтобетоне, вычисляется по формуле
1
[(σ 1 − σ 3 ) − (σ 1 + σ 3 ) sin ϕ ],
Т =τн =
(5.22)
2 cos ϕ
где σ1, σ3 – максимальное и минимальное главные напряжения в данной
точке, определяемые после приведения дорожной одежды к эквивалентной
двухслойной; φ – угол внутреннего трения.
В этой формуле главные напряжения вычисляются из решения задачи
теории упругости для слоистых сред. Для инженерных расчетов составлена номограмма определения напряжения сдвига τн в слое асфальтобетона, представленная на рис.5.9.
79
Н
/Р
Расчетная схема
D
P
1,8
h
h h1
2
h3
1,6
Еср.асф.
Еi
Е ср
1,4
Еср.осн.
Е1
Е2
Е3
.а
/Е о
.
сф
б.
1,2
ос
0
=1
н.
1,0
8
6
5
3,5
0,8
4
0,6
2,5
3
0,4
2
1,5
1
0,2
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0 h/D
Рис.5.9. Номограмма для определения активного напряжения сдвига в
слое асфальтобетона
Номограмма составлена на основе решения задачи теории упругости для
слоистого полупространства для случая, когда не обеспечено достаточное сцепление покрытия с основанием.
На номограмме взаимосвязаны между собой относительная толщина h/D
слоев асфальтобетона (значения показаны на горизонтальной оси), отношение
среднего модуля упругости слоев асфальтобетона к общему модулю упругости
подстилающего их основания Еср.асф/Еоб.осн (значения указаны на кривых) и
относительное максимальное активное напряжение сдвига τн/р в асфальтобетоне (значения показаны на вертикальной оси).
Расчет ведут в соответствии с расчетной схемой, приведенной на рис.
5.10, в следующей последовательности:
80
1. Вычисляют средний модуль упругости асфальтобетонных слоев:
Еср.асф = (Е1⋅h1+ Е2⋅h2) / (h1+ h2).
(5.23)
2. Вычисляют значение общего модуля упругости слоев, лежащих ниже асфальтобетонных, Еоб.осн = Е′′об .
3. Вычисляют отношения Еср.асф /Еоб.осн и
∑h/Dн = ( h1 + h2) / Dн .
4. По номограмме (см. рис.5.9) определяют активное напряжение сдвига от дейст-
Рис.5.10. Расчетная схема
вия единичной нагрузки τ н .
5. Полное напряжение сдвига вычисляют
по формуле (5.10).
6. Вычисляют предельно допустимое активное напряжение сдвига:
Tпр = K ⋅ Саб ,
(5.24)
где K – комплексный коэффициент, учитывающий зацепление зерен асфальтобетона, Саб – сцепление в слое асфальтобетона, МПа (см. табл. 5.5).
7. Проверяют выполнение условия (5.21).
Если Tnp / T < Knp, условие сдвигоустойчивости считается не выполненным. В этом случае необходимо заменить материал верхнего слоя сдвигоустойчивым или заново переконструировать дорожную одежду так, чтобы снизить напряжение сдвига T.
Вопросы для самопроверки
1. Какие расчетные параметры при проектировании дорожных одежд зависят от категории дороги?
2. Какие параметры учитываются при расчете требуемого модуля упругости
дорожной конструкции?
3. Что такое прочность дорожной одежды?
4. Какова последовательность расчета дорожной конструкции по упругому
прогибу?
5. Для какой расчетной температуры принимается модуль упругости слоев
из асфальтобетонов при расчете по упругому прогибу ?
6. Какие конструктивные слои дорожной одежды проверяются по условию
сдвигоустойчивости?
81
7. При каком условии в дорожной одежде не возникает сдвиговых деформаций?
8. От каких параметров зависит предельно допустимое активное напряжение сдвига?
9. Для каких расчетных температур принимается модуль упругости слоев из
асфальтобетонов при расчете на сдвиг ?
10. Какие конструктивные слои дорожной одежды рассчитываются на сопротивление разрушению от растяжения при изгибе?
11. Для какой расчетной температуры принимается модуль упругости слоев
из асфальтобетонов при расчете по этому критерию ?
12. При соблюдении каких условий в монолитных конструктивных слоях дорожной одежды не образуется трещин от растягивающих напряжений ?
13. На каких участках дороги производят расчет на статическое воздействие
нагрузки?
14. По каким критериям рассчитывается дорожная одежда при проверке на
статическое воздействие нагрузки ?
15. Для какой расчетной температуры принимается модуль упругости слоев
из асфальтобетонов при расчете на статическое воздействие ?
16. Какие проектные решения возможны, если условия сдвигоустойчивости
асфальтобетонной смеси при статическом воздействии нагрузки не выполняются?
82
6. ПРОВЕРКА КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ
НА МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТЬ
В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях должна быть обеспечена
достаточная морозоустойчивость дорожных одежд и земляного полотна.
Процессы зимнего вспучивания грунтов происходят в связи с зимней миграцией влаги, приводящей к накоплению и замерзанию воды в порах грунта в
виде прослоек льда. Ледяные прослойки вызывают поднятие (пучение) грунта,
неравномерное поднятие покрытия и нарушение его ровности. Во время весеннего оттаивания грунта при проезде тяжелых автомобилей может происходить
разрушение покрытия на ослабленном грунтовом основании.
Большое влияние на морозоустойчивость дорожной одежды оказывает
тип грунтов земляного полотна. Классификация грунтов по степени пучинистости в соответствии со СНиП 2.02.02-85 приведена в табл. 6.1 и 6.2.
Таблица 6.1
Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании
Группы грунтов по
пучинистости
I
II
III
IV
V
Степень пучинистости
Непучинистый
Слабопучинистый
Пучинистый
Сильнопучинистый
Черезмернопучинистый
Относительное
морозное пучение, см
1 и менее
свыше 1 до
свыше 4 до 7
свыше 7 до 10
свыше 10
Таблица 6.2
Группы грунтов по степени пучинистости
Грунт
Песок гравелистый, крупный и средней крупности с содержанием
частиц мельче 0,05 до 2%
Песок гравелистый, крупный, средней крупности и мелкий с содержанием частиц мельче 0,05 до 15%, супесь легкая крупная
Супесь легкая, суглинок легкий и тяжелый, глины
Песок пылеватый, супесь пылеватая, суглинок тяжелый пылеватый
Супесь тяжелая пылеватая, суглинок легкий пылеватый
Группа
I
II
III
IV
V
Наиболее подвержены морозному пучению пылеватые грунты. При использовании таких грунтов в земляном полотне необходимо проектировать дорожную одежду так, чтобы фактическое морозное пучение не превышало допустимой величины, установленной для каждого типа покрытия.
Конструкцию дорожной одежды считают морозоустойчивой, если выполняется условие
83
lпуч ≤ lдоп ,
(6.1)
где lпуч – расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна, см;
lдоп – допускаемое для данной конструкции пучение грунта, см.
Значения допускаемой величины морозного пучения приведены в табл.6.3.
Таблица 6.3
Допускаемая величина морозного пучения
Тип дорожных
одежд
Капитальные
Облегченные
Переходные
Вид покрытия
Асфальтобетонное
Цементобетонное монолитное
Асфальтобетонное
Переходное
Допустимая величина
морозного пучения lдоп, см
4
3
6
10
Примечание. В восточных районах II – III дорожно – климатических зон значения lдоп
следует увеличивать на 20 – 40% (большие значения для облегченных и переходных дорожных одежд)
Наблюдения, проведенные СоюзДорНИИ на дорогах II и северной части
III дорожно-климатических зон, показали, что фактическое морозное пучение
почти ежегодно превышает допустимое значение на участках 2 и 3-го типов местности по характеру увлажнения при пылеватых суглинистых грунтах. В период оттаивания на таких участках модуль упругости грунта понижается на 2040% за счет его переувлажнения. При этом срок службы дорожных одежд существенно сокращается.
Теоретические расчеты и опыт эксплуатации автомобильных дорог показали, что при относительной влажности пылеватых грунтов равной или менее
0,7Wт (где Wт – влажность при нижней границе текучести) морозное пучение
дорожных одежд (покрытий) не превышает допустимое. В период оттаивания
модуль упругости этих грунтов несколько понижается, но остается выше расчетного на участках, где регулируется водно-тепловой режим земляного полотна.
Таким образом, на стадии проектирования разрабатываются специальные
мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна и
дорожных одежд, обеспечению достаточной морозоустойчивости и предотвращению недопустимого зимнего пучения. К ним относятся:
- использование непучинистых или слабопучинистых грунтов для сооружения верхней части земляного полотна, находящегося в зоне промерзания;
- осушение рабочего слоя земляного полотна путем устройства дренажа
для увеличения расстояния до уровня грунтовых вод;
- устройство гидроизолирующих или капилляропрерывающих прослоек;
- устройство морозозащитных слоев из непучинистых материалов;
- устройство теплоизолирующих слоев для снижения глубины промерзания грунта под дорожной одеждой и т.д.
84
При проектировании дорожных одежд не требуется специальных мер по
морозной защите конструкций:
- в районах, где глубина промерзания грунтов менее 0,6 м;
- при устройстве земляного полотна на всю глубину промерзания из
непучинистых или слабопучинистых грунтов;
- в случаях, когда общая толщина дорожной одежды превышает 2/3
глубины промерзания.
Расчет на морозоустойчивость выполняют для характерных участков дороги, сходных по грунтово-гидрологическим условиям, имеющих одинаковую
схему увлажнения рабочего слоя грунта земляного полотна.
Величину морозного пучения грунта земляного полотна lпуч вычисляют
по формуле
lпуч = lпуч.ср ⋅ КУГВ ⋅ Кпл⋅ Кгр⋅ Кнагр⋅ Квл ,
(6.2)
где lпуч.ср. – величина морозного пучения при осредненных условиях, определяемая в зависимости от полной толщины дорожной одежды, группы грунта по степени пучинистости и глубины промерзания zпр(ср) (см. рис. 6.1);
KУГВ – коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых вод (УГВ) или длительно стоящих поверхностных вод
(см. рис.6.2). При отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать: для супеси тяжелей и пылеватой и суглинка KУГВ = 0,53; для песка и супеси легкой и крупной KУГВ = 0,43;
Kпл – коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего
слоя (табл.6.4); Kгр – коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (табл.6.5); Kнагр – коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт, зависящий от глубины промерзания (рис.6.3); Kвл – коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (табл.6.6).
Значение lпуч. ср при глубине промерзания от поверхности покрытия zпр
до 2 м определяют по графикам, приведенным на рис.6.4.
Если глубина промерзания zпр находится в пределах от 2,0 до 3,0 м, то
lпуч. ср. вычисляют по формуле
lпуч ср = lпуч.ср2,0 [a + b(zпр -c)] ,
(6.3)
где lпуч. ср.2,0 – величина морозного пучения при zпр =2,0м.
а = 1,0; b = 0,16; c = 2,0
при 2,0 < zпр < 2,5;
а = 1,08; b = 0,08; c = 2,5
при 2,5 < zпр < 3,0.
Глубина промерзания грунта от поверхности дорожной конструкции (zпр)
больше осредненных значений zпр(ср), приведенных на рис. 6.1. Ее определяют
экспериментальным путем. При отсутствии экспериментальных данных глубину промерзания вычисляют по формуле
zпр = zпр(ср) ⋅1,38 ,
(6.4)
85
86
Рис.6.1. Карта изолиний глубины промерзания грунтов zпр(ср) на территории СНГ: 1 – граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 – то же, островного; 3 – границы стран СНГ
Кугв
0,8
1
0,6
2
0,4
0
1
Hу, м
3
2
Рис.6.2. Зависимость коэффициента КУГВ от расстояния от низа дорожной
одежды до расчетного уровня грунтовых вод (УГВ) или уровня поверхностных
вод (УПВ): 1 – супесь тяжелая и тяжелая пылеватая, суглинок; 2 – песок, супесь легкая и легкая крупная
Кнагр
1,2
1,0
1
0,8
2
0,6
2,0
1,5
0,5
1,0
2,5 Zпр., м
Рис.6.3. Зависимость коэффициента Кнагр от глубины промерзания zпр от
поверхности покрытия: 1 – супесь тяжелая и пылеватая, суглинок; 2 – песок,
супесь легкая, крупная
87
Таблица 6.4
Значения коэффициента Кпл для грунта рабочего слоя
Коэффициент
уплотнения
Коэффициент Кпл
Купл
1,03 – 1,00
1,01 – 0,98
0,97 – 0,95
0,94 – 0,90
менее 0,90
Песок пылеватый, супесь легкая и
пылеватая, суглинки, глины
Пески кроме пылеватых,
супесь легкая крупная
0,8
1,0
1,2
1,3
1,5
1,0
1,0
1,1
1,2
1,3
Таблица 6.5
Значение коэффициента Кгр
Грунт
Пески
Супеси
Суглинки
Глины
Кгр
1,0
1,1
1,3
1,5
Таблица 6.6
Значение коэффициента Квл
Относительная влажность W/Wт
Квл
0,6
1,0
0,7
1,1
0,8
1,2
0,9
1,3
Расчет конструкции дорожной одежды на морозоустойчивость ведут в
следующем порядке:
1. Определяют допустимую величину морозного пучения.
2. Находят величину морозного пучения грунта lпуч ср (табл.6.1, 6.2, рис.6.4).
3. Вычисляют величину морозного пучения грунта земляного полотна при
данной конструкции дорожной одежды lпуч по формуле (6.2) или (6.3).
4. Сравнивают полученное расчетное значение lпуч с допустимым lдоп.
Если lпуч < lдоп при сроке службы дорожной одежды Тсл менее 10 лет, то
морозоустойчивость конструкции обеспечена. Морозоустойчивость конструкции также обеспечена, если lпуч < 0,8 lдоп при сроке службы дорожной одежды
Тсл более 10 лет.
Если lпуч > lдоп при Тсл < 10 лет или lпуч > 0,8 lдоп при Тсл > 10 лет, то необходимо предусмотреть мероприятия по обеспечению морозоустойчивости,
описанные выше.
При выполнении курсового проекта в качестве необходимых мероприятий могут рассчитываться морозозащитные или теплоизолирующие слои. При
этом необходимо отметить, что повторный пересчет конструкции дорожной
одежды по прочностным критериям не требуется.
88
89
2
4
8
6
10
0
12
14
16
18
20
IIб
10 40 60 80 100
IIб
IIa
III
IV
V
zпр =100 см
IIб
IIa
III
IV
V
Толщина дорожной одежды h, см
0
10 20 40 60 80 100 120140
10
20
zпр=150 см
0
10
20
zпр =200 см
20 40 60 80 100 120 140 180 200
IIб
IIa
III
IV
V
Примечания: 1. Кривые (II – V) выбирают в соответствии с группой грунтов (см. табл. 6.1);
2. Кривую IIа выбирают при 2-й и 3-й схеме увлажнения рабочего слоя, кривую IIб – при 1-й схеме увлажнения
Рис.6.4. Графики для определения осредненной величины морозного пучения lпуч.ср
Морозное пучение
Расчет толщины морозозащитного слоя hмз выполняется по термическому
сопротивлению дорожной конструкции. Он проводится в следующей последовательности.
Первоначально определяется требуемая толщина морозоустойчивой конструкции дорожной одежды. Для этого, зная допустимую величину морозного
пучения lдоп, вычисляют среднюю величину морозного пучения lпуч.ср из формулы (6.2), т.е.
lпуч.ср = lдоп / КУГВ ⋅ Кпл⋅ Кгр⋅ Кнагр⋅ Квл .
(6.5)
Затем по графику, приведенному на рис.6.4, в соответствии с группой
грунта земляного полотна по степени пучинистости определяют требуемую
толщину дорожной одежды hдо.необх. Разница рассчитанной толщины дорожной
конструкции hдо и полученной hдо.необх даст толщину морозозащитного слоя:
hмз = hдо.необх − hдо .
(6.6)
В качестве материала морозозащитного слоя можно принимать стабильные зернистые материалы такие, как песок, песчано-гравийная смесь, гравий,
щебень, грунты, укрепленные вяжущим, а также другие непучинистые материалы.
Уточнение толщины морозозащитного слоя производят с учетом теплофизических свойств материалов дорожной конструкции по формуле
hмз = (Rод ( тр ) − Rод ( о ) )⋅ λмз ,
(6.7)
где Rод(о) – термическое сопротивление рассматриваемой конструкции
дорожной одежды, м2⋅К/Вт; Rод(тр) – требуемое в данных условиях термическое сопротивление дорожной одежды, м2⋅К/Вт; λмз – коэффициент теплопроводности морозозащитного слоя, равный среднеарифметическому значению коэффициентов теплопроводности материалов слоя в талом и мерзлом состояниях, Вт/м⋅К.
Величину Rод(тр) определяют в зависимости от номера изолинии на карте, приведенной на рис. 6.5. Изолинии соответствуют географическому положению проектируемого участка дороги. Если участок находится между изолиниями, то величину hмз определяют методом интерполяции, вычислив предварительно два значения Rод(тр) и hмз для соседних изолиний.
Термическое сопротивление дорожной одежды Rод(о) вычисляется по
формуле
n
Rод ( о ) = ∑ hi / λi ,
i =1
(6.8)
где n – число конструктивных слоев дорожной одежды без морозозащитного слоя; hi – толщина i – го слоя, м; λi – коэффициент теплопроводности
i – го слоя, Вт/м⋅К.
90
Рис.6.5. Карта с изолиниями для определения требуемых значений термического сопротивления дорожной одежды: I-X – номера изолиний; 1 – граница
сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 – то же, островного; 3 –
Северный полярный круг
Значения коэффициента теплопроводности λмз можно принимать по фактически измеренным значениям. При их отсутствии допускается принимать
значения коэффициента теплопроводности материала по данным, приведенным
в прил. 3 (табл. П.3).
Величину требуемого термического сопротивления Rод(тр) вычисляют по
формуле
Rод ( тр ) = Rпр ⋅ K од ⋅ K увл ⋅ δ ,
(6.9)
где Rпр – приведенное термическое сопротивление, м2⋅К/Вт; Код – коэффициент, учитывающий срок службы дорожной одежды между капитальными
ремонтами, принимается по табл.6.7; Кувл – коэффициент, учитывающий схему
увлажнения рабочего слоя земляного полотна, принимаемый при 2-й и 3-й схемах увлажнения равным единице, а при 1-й схеме увлажнения – по табл.6.8.; δ
- понижающий коэффициент.
Значения понижающего коэффициента принимаются: для II1, II5 и III5 дорожно-климатических подзон равным 1,0; для II2, II4 и II6 подзон равным 0,95;
91
для III дорожно-климатической зоны равным 0,90; для IV дорожно - климатической зоны равным 0,85.
Приведенное термическое сопротивление Rпр определяется при помощи
номограммы (рис.6.6) методом итерации через отношение lдоп/(Спуч⋅Ср) (горизонтальная ось номограммы).
Значение lдоп определяется по табл.6.3, Спуч – показатель, определяемый
в зависимости от типа грунта земляного полотна по пучинистости, табл. 6.9; Ср
– коэффициент, определяемый в зависимости от толщины дорожной одежды
по табл. 6.10.
Таблица 6.7
Значение коэффициента Код
Номер изолиний на
карте (см. рис.6.5)
I – II
III – X
Значение коэффициента Код при сроке службы дорожной
одежды между капитальными ремонтами
менее 10 лет
10 лет
20 лет
0,70
0,85
1,0
0,80
0,90
1,0
Значение коэффициента Кувл
Номер изолиний на карте
(см. рис.6.5)
I
II
III
IV
V
Значение коэффициента
Кувл при первой схеме увлажнения рабочего слоя
земляного полотна
0,8
0,65
0,55
0,45
0,40
Таблица 6.8
при 1-ой схеме увлажнения
Номер изолиний на карте
(см. рис.6.5)
VI
VII
VIII
IX
X
Значение коэффициента
Кувл при первой схеме увлажнения рабочего слоя
земляного полотна
0,35
0,30
0,30
0,25
0,25
Таблица 6.9
Значение коэффициента Спуч
Значение показателя Спуч для грунтов
слабопучинипучинистых
сильнопучиничрезмерно
стых
стых
пучинистых
I
0,70
1,40
2,10
2,80
II
0,60
1,25
1,85
2,50
III
0,55
1,10
1,65
2,20
IV
0,50
1,00
1,50
2,00
V
0,45
0,90
1,35
1,80
VI
0,40
0,80
1,20
1,60
VII
0,35
0,70
1,05
1,40
VIII
0,30
0,60
0,90
1,20
IX
0,25
0,50
0,75
1,00
X
0,20
0,40
0,60
0,80
Примечание. Группу грунта по степени пучинистости допускается определять при
помощи табл. 6.1 и 6.2.
Номер изолиний на
карте (см. рис.6.5)
92
а)
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
hпр(доп), см
Н
150
3,0 м
2,5 м
2,0 м
1,5 м
1,0 м
100
0,5 м
50
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Iдоп/(СпучСр), см
3,2 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0
2
Rпр, м K/Вт
б)
hпр(доп), см
3,0 м2,5 м 2,0 м
Н =1,5 м
1
X
IX
250
1,0 м
200
0,5 м
VIII
VII
VI
V
150
IV
III
II
100
1,6
1,2
0,8
0,4
0
Rпр, м2K/Вт
6
10
14
22
28
18
Iдоп/(СпучСр), см
30
Рис.6.6. Номограмма для определения приведенного термического сопротивления дорожной одежды Rпр: I-X – номера изолиний на карте (см. рис.6.5);
1 – кривая расчета для 1 и 2-го типов увлажнения рабочего слоя земляного полотна; Hγ – глубина залегания расчетного УГВ от низа дорожной одежды,
включая морозозащитный слой
93
Таблица 6.10
Значение коэффициента Ср
Грунт земляного полотна
Песок пылеватый
Супесь легкая
Супесь пылеватая
Суглинок легкий, суглинок
легкий пылеватый
Суглинок тяжелый, суглинок тяжелый пылеватый,
глина
Толщина дорожной одежды hдо, м
0,5
1,0
1,5
2,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Значение коэффициента Ср в зависимости от
допустимой глубины промерзания hпр (доп), см
0-50
51-100
>100
0-100
0,60
0,55
0,50
0,45
0,50
0,40
0,45
0,35
0,40
0,70
0,65
0,60
0,55
0,60
0,50
0,55
0,40
0,50
0,75
0,70
0,65
0,55
0,65
0,50
0,55
0,45
0,50
0,80
0,75
0,70
0,65
0,70
0,60
0,65
0,55
0,60
0,85
0,80
0,75
0,70
0,75
0,65
0,70
0,60
0,65
Примечание. При промежуточных значениях толщины дорожной одежды следует
принимать значение Ср по интерполяции соответствующих величин.
При определении коэффициент Ср принимают общую толщину дорожной
одежды, отвечающую требованиям морозоустойчивости hдо.необх. Допустимую
глубину промерзания hпр(доп) подбирают таким образом, чтобы получаемому
значению отношения lдоп/(Спуч⋅ Ср) соответствовала величина hпр(доп) на вертикальной оси номограммы, равная принятой при определении Ср. Подбор нужно
начинать со значения hпр(доп), соответствующего наименьшей допустимой глубине промерзания.
При использовании номограммы (рис.6.6) необходимо учитывать следующие особенности: если глубина залегания подземных вод на участке дороги
отличается от указанных в номограмме, то нужно определить два ближайших
значения Rпр – одно при значении Hγ на номограмме более, а другое при значении Hγ на номограмме менее данного. Искомое значение Rпр устанавливают
методом интерполяции между соответствующими величинами.
После завершения расчета толщины морозозащитного слоя по формуле
(6.6) сравнивают полученное значение hмз с предварительно назначенной вели-
94
чиной hмз. Разница не должна быть более 5 см. В противном случае расчет необходимо повторить, задавшись новой толщиной морозозащитного слоя hмз.
Расчет толщины теплоизолирующего слоя осуществляется так же, как и
морозозащитного. Теплоизолирующие слои применяются в тех случаях, когда
технически невозможны или экономически нецелесообразны традиционные
мероприятия по обеспечению морозоустойчивости конструкции.
В качестве теплоизолятора могут быть использованы: легкие бетоны, пенопласт, теплоизоляционные композиции из местных материалов или отходов
промышленности, укрепленных вяжущими, и пористых заполнителей (керамзита, перлита, аглопорита, гранул полистирола, измельченных отходов пенопласта).
Толщину теплоизолирующего слоя определяют по графику, приведенному на рис.6.7, в зависимости от Rод(тр) и Rод(о). При проведении расчетов значения показателя пучинистости грунта Спуч определяют по табл.6.11.
Таблица 6.11
Значения показателя Спуч при расчете толщины теплоизолирующего слоя
слабопучинистых
0,50
Значение показателя Спуч для грунтов
пучинистых
сильнопучинистых
чрезмерно пучинистых
1,0
1,5
2,0
hп, см
15
14
2
13
12
R
11
(О
ОД
,2м
0
=
)
Вт
К/
0,4
0,6
0,8
1,0
10
1,2
9
1,4
8
1,6
7
1,8
6
2,0
5
4
3
2
1
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4
RОД(ТР)=м2 К/Вт
Рис.6.7. График для определения необходимой толщины теплоизолирующего слоя из пенопласта
95
Вопросы для самопроверки
1. Как классифицируются грунты по степени пучинистости ?
2. Какие грунты наиболее подвержены пучению ?
3. При соблюдении какого условия дорожная одежда считается морозоустойчивой ?
4. От чего зависит допускаемая величина морозного пучения ?
5. Какие мероприятия по регулированию водно-теплового режима могут
быть предусмотрены на стадии проектирования для обеспечения морозоустойчивости дорожной одежды ?
6. В каких случаях проверка дорожной одежды на морозоустойчивость может не производиться ?
7. От каких параметров зависит расчетная величина морозного пучения ?
8. Какие материалы используются при устройстве морозозащитного слоя ?
9. Для каких материалов коэффициент теплопроводности определяется как
среднеарифметическая величина коэффициентов для талого и мерзлого
состояния ?
10. Как производится расчет теплоизолирующего слоя ?
11. В каких случаях применяются теплоизолирующие слои в дорожных конструкциях ?
12. Какие материалы могут быть использованы в качестве теплоизоляторов ?
96
7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ПО ОСУШЕНИЮ
ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД И ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
В зимний период в связи с процессами миграции влаги из нижних теплых
слоев грунта к границе промерзания в морозозащитном слое дорожной одежды
и подстилающем грунте накапливается вода, образуя ледяные линзы и прослойки.
Весной грунт под проезжей частью оттаивает быстрее, чем на обочинах,
покрытых снегом. Вода, накопившаяся в грунте за зиму, выжимается вверх в
песчаное основание. Поверхность неоттаявшего мерзлого грунта приобретает
вогнутое очертание, образуя так называемый донник, в котором скапливается
выделяющаяся при оттаивании грунтовая вода, лишенная возможности просачиваться вниз. Схема оттаивания земляного полотна приведена на рис.7.1.
3
1
2
Рис.7.1. Неравномерное оттаивание земляного полотна: 1 – оттаявший
грунт; 2 – переувлажненный оттаявший грунт; 3– мерзлый грунт
При проезде автомобилей в переувлажненном подстилающем грунте возникают гидродинамические напоры, сопротивление грунта сдвигу снижается,
что может привести к разрушению дорожной одежды. Поэтому в конструкции
дорожной одежды должна быть предусмотрена возможность своевременного
отвода выделившейся воды через дренирующие слои из хорошо фильтрующих
материалов – песка, щебня и отгрохоченного гравия, имеющих коэффициент
фильтрации не менее 1 м/сут.
Дренирующий слой дорожных одежд относят к системе дорожного водоотвода. Для отвода воды в резервы или боковые канавы дренирующий слой выводится на откосы насыпи по всей длине дороги.
В благоприятных гидрогеологических условиях сплошной вывод песчаного слоя на откосы насыпи или в боковые канавы может быть заменен устройством дренажных воронок. Схема дренажных воронок приведена на рис. 7.2.
Дренажные воронки заполняют хорошо дренирующим материалом (одноразмерным щебнем, галькой размером 40—60 мм и т.д.), по которому вода просачивается из земляного полотна. Дренажные воронки имеют сечение 0,4x0,2 м,
и их располагают через 4—6 м в шахматном порядке.
Пропускная способность дренажных воронок невелика, поэтому для отвода
воды, заполнившей поры песчаного основания, необходимо значительное время. Кроме того, в период весеннего оттаивания, наиболее ответственный для до-
97
рожной конструкции, воронки находятся в промерзшем состоянии и не могут отводить воду, поступающую под проезжую часть и скапливающуюся в песчаном
дополнительном слое основания.
Рис.7.2. Дренажные воронки: а — разрез по полотну дороги;
б — примыкание воронки к песчаному слою при малых уклонах;
в — то же при уклоне более 10 ‰; 1 — прослойка дерна или мха;
2 — щебень или гравий; 3 — дорожная одежда
В местах с неблагоприятными грунтово-гидрологическими условиями воду
из дренирующего слоя отводят поперечными и продольными дренажными трубками из асбоцементных или керамических (гончарных) труб. Схема установки
дренажных трубок приведена на рис.7.3.
Рис.7.3. Дренажные трубки, укладываемые в песчаный слой: а — продольная труба; б — приемная часть поперечной трубы; в — то
же в плане; I — обочина; 2 — слои дорожной одежды; 3 — песчаный слой
При использовании дренажных трубок необходимо принимать меры, предотвращающие проникание потока холодного воздуха в земляное полотно.
Вместо трубок могут быть устроены прорези, заполненные крупным дренирующим материалом.
Дренажная система дорожной одежды включает плоскостной горизонтальный дренаж, дополняемый, если требуется, прикромочным дренажом и поперечным дренажом мелкого заложения.
Комбинированный плоскостной горизонтальный дренаж является универсальным мероприятием для большинства участков дорог.
98
Поперечный дренаж мелкого заложения устраивают для поперечного перехвата воды, движущейся в дренирующем слое вдоль дороги, на участках с
продольным уклоном свыше 20‰, а также с затяжными продольными уклонами, превышающими поперечные; в местах вогнутых вертикальных кривых и на
участках уменьшения продольного уклона.
В весенний период, дренирующий слой собирает воду, которая попадает из
верхних слоев земляного полотна при таянии ледяных прослоек, образовавшихся
на пучинистых участках в процессе зимнего влагонакопления. Дренирующие
песчаные слои особенно важно устраивать во II и III дорожно-климатических
зонах, при пылеватых грунтах земляного полотна.
В зависимости от ширины проезжей части и климатических особенностей
района строительства песчаные материалы для дренирующего слоя должны в
уплотненном состоянии иметь коэффициент фильтрации от 3 до 10 м /сут.
Толщину подстилающего песчаного слоя назначают не менее указанной в
табл.7.1.
Таблица 7.1
Толщина песчаного подстилающего слоя
Покрытия
Грунты земляного полотна
Цементобетонные
Толщина подстилающего слоя при увлажнении,
Мелкие пески
Супеси
Суглинки тяжелые и глины
Пылеватые грунты
избыточном
15
20—25
25—35
35—50
нормальном
10
15—20
20—25
25—40
недостаточном
10
10
15
15—20
Нежесткие
на дорогах 1-III
категорий
Мелкие пески
Супеси
Суглинки тяжелые и глины
Пылеватые грунты
10
20
30
35
—
15
20
25
—
10
15
20
Нежесткие
на дорогах IV и
V категорий
Мелкие пески
Супеси
Суглинки тяжелые и глины
Пылеватые грунты
10
15
25
30
10
15
20
20
—
10
15
15
Наиболее сложным для работы дренирующих слоев является весенний
период, когда основание под серединой проезжей части оттаяло, а у краев еще
находится в мерзлом состоянии и водоотводные устройства не работают.
Скорость оттаивания грунта земляного полотна под проезжей частью во
II и III дорожно-климатических зонах может достигать 5 см в день. Скорость
оттаивания обочин меньше и составляет в среднем 3 см. В связи с этим отвод
воды из донника задерживается на 3-6 дней. Поэтому конструкция дренирующего слоя должна обеспечивать размещение в порах песка всей воды, накапливающейся за этот период.
99
На начальном этапе проектирования дорожной одежды толщину песчаного дополнительного слоя основания назначают конструктивно или из условия
морозоустойчивости. Затем ее проверяют на возможность размещения в порах
песчаного слоя воды, поступающей за период от начала оттаивания до начала
работы отводящих дренажных устройств, и ее отвода через песчаный слой. При
этом необходимо учитывать, что полное заполнение пор может быть допущено
только в нижней части песчаного слоя. В верхней его части песок должен находиться только в состоянии капиллярного водонасыщения.
Таким образом, при проектировании должна быть предусмотрена запасная дополнительная толщина песчаного слоя hзап, в пределах которой может
находиться только капиллярная влага.
Дренажная конструкция (дренирующий слой и водоотводящие устройства)
необходима при конструкциях дорожных одежд со слоями из зернистых материалов на участках с земляным полотном из слабофильтрующих грунтов (пылеватых
песков, непылеватых песков с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сут, глинистых грунтов). Она проектируется во II дорожно-климатической зоне при всех схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна, в III зоне – при 2-й и 3-й схемах,
в IV и V зонах – только при 3-й схеме (см. прил. 2, табл.П.2.3).
Схему увлажнения на участках дороги, где в придорожной полосе застаивается вода, определяют с учетом расстояния lу от бровки земляного полотна до уреза
воды, застаивающейся осенью в придорожной полосе. При отсутствии фактических
данных следует принимать для супесей lу = 10 м, для суглинков легких и пылеватых lу = 3 м, для суглинков тяжелых и глин lу = 2 м.
В зависимости от конкретных условий дренажная конструкция может быть
рассчитана на один из трех вариантов ее работы:
- на осушение;
- на осушение с периодом запаздывания отвода воды;
- на поглощение.
При проектировании дренирующего слоя следует, помимо осушения,
учитывать необходимость обеспечения сдвигоустойчивости самого зернистого
материала и прочности всей дорожной конструкции.
Дренажную конструкцию проектируют с учетом объема воды, поступающей в основание дорожной одежды в расчетный период, фильтрационной
способности материала дренирующего слоя и конструкции земляного полотна.
Дренирующий слой, работающий по принципу осушения, необходимо
устраивать из песчаных грунтов или высокопроницаемой скелетной смеси
(щебня или гравия) открытого типа (с незаполненными пустотами), отвечающих определенным требованиям по водопроницаемости. Для устройства дренирующего слоя, работающего по принципу осушения, следует применять материалы с коэффициентом фильтрации не менее 1 м/сут. Если слой выполняет
одновременно дренирующие и морозозащитные функции, рекомендуется применять материалы с коэффициентом фильтрации 1-2 м/сут.
100
Дренирующий слой укладывают под дорожной одеждой на всю ее ширину, обеспечивая его выход на откос. Дренажный слой устраивают также с дренажными трубами для сбора и быстрого отвода воды за пределы земляного полотна. Следует предусматривать противозаиливающую защиту дрен и самих
слоев, а также не допускать замерзание воды в выпусках труб.
При устройстве дренирующих слоев, работающих по принципу поглощения, необходимо устраивать более мощные слои из песчаного грунта и принимать в расчет на прочность дорожной одежды значения прочностных характеристик песчаного грунта с учетом более продолжительного периода его нахождения в неблагоприятном расчетном состоянии.
Проектирование мероприятий по дренированию дорожной одежды производят в следующей последовательности:
а) дорогу разделяют на типичные участки, учитывая:
- продольный профиль,
- природные условия (рельеф, наличие водотоков и т.д.),
- особенности конструкции земляного полотна: насыпь высотой, соответствующей требованиям СНиП 2.05.02-85 (см. табл. П.2.4), выемка, насыпь высотой ниже требуемой СНиП, переходный участок от насыпи к выемке,
- конструкцию дорожной одежды,
- обеспеченность материалами для дренирующего слоя дренажными трубами,
- возможность осуществления мер по ограничению притока воды в дорожную конструкцию;
б) для типичных участков определяют количество воды, поступающей в
основание за сутки и за расчетный период, предусматривая меры по
ограничению притока воды в дорожную конструкцию;
в) намечают варианты дренажных конструкций;
г) обосновывают расчетом толщину дренирующего слоя для данных условий или определяют необходимый коэффициент фильтрации для
дренирующего материала.
При расчете дренажной конструкции определяется требуемая толщина
дренирующего слоя.
В районах сезонного промерзания грунтов рассматривается два расчетных этапа работы дренажных конструкций:
I этап – когда основание под серединой проезжей части уже оттаяло, дренажный слой у ее краев находится в мерзлом состоянии, а водоотводящие устройства не работают;
II этап – когда дренирующий слой полностью оттаял и водоотводящие
устройства начали нормально функционировать.
Как отмечалось выше, конструкция может быть рассчитана на один из
трех вариантов работы: осушение, осушение с периодом запаздывания отвода воды, поглощение.
Полную толщину дренирующего слоя определяют по формуле
101
hn = hнас + hзап ,
(7.1)
где hнас – толщина слоя, полностью насыщенного водой, м; hзап – дополнительная толщина слоя, зависящая от капиллярных свойств материала, м.
Толщину дополнительного слоя принимают:
- для песков крупных hзап = 0,10-0,12 м,
- для песка средней крупности hзап =0,14-0,15 м,
- для мелкого песка hзап = 0,18-0,20 м.
Во всех случаях полную толщину дренирующего слоя следует принимать
не менее 0,20 м.
При определении толщины дренирующего слоя, работающего по принципу осушения, толщину слоя, полностью насыщенного водой hнас, устанавливают по номограммам, приведенным на рис.7.4 и 7.5.
На номограммах длина пути фильтрации L принимается равной половине
ширины дренирующего слоя при двускатном профиле и полной его ширине –
при односкатном; i – поперечный уклон низа дренирующего слоя; Kф – коэффициент фильтрации, м/сут.
При односкатном поперечном профиле параметр
q/ = qp⋅B,
(7.2)
при двускатном
q/ = 0,5qр⋅B,
(7.3)
2
где qр – расчетная величина притока воды в дренирующий слой на 1 м ; B –
ширина проезжей части, м.
Расчетная величина притока воды в дренирующий слой рассчитывается
по формуле
q p = q ⋅ K пк ⋅ K г ⋅ K вог ⋅ K p / 1000,
(7.4)
где q – осредненное значение притока воды в дренирующий слой при традиционной конструкции дорожной одежды, приведено в табл.7.2; Kпк – коэффициент “пик”, учитывающий неустановившийся режим поступления воды из-за неравномерного оттаивания и выпадения атмосферных осадков (см. табл.7.3); Kг
– коэффициент гидрологического запаса, учитывающий снижение фильтрационной способности дренирующего слоя в процессе эксплуатации (см. табл.7.3);
Kвог – коэффициент, учитывающий накопление воды в местах изменения продольного уклона; Kp – коэффициент, учитывающий снижение притока воды
при принятии специальных мер по регулированию водно-теплового режима
(см. табл.7.4).
Коэффициент, учитывающий накопление воды в местах изменения продольного профиля Kвог, определяется при одинаковом направлении участков
профиля у перелома по номограмме, приведенной на рис.7.6, а при встречных
уклонах рассчитывается по формуле
102
K вог =
[
],
1 + K ф (Tзап + 1)(i1 + i2 )
2n
(7.5)
где Kф – коэффициент фильтрации, м/сут; Tзап – время запаздывания, сут;
i1 и i2 – абсолютная величина уклонов, доли единицы; n – пористость дренирующего слоя, доли единицы.
3,5hнас/L
0,4
i=0,02
0,3
i=0,04
0,2
0,1
0
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
0,016
0,018
0,02
/
0,022 g p /Kф
Рис.7.4. Расчет толщины hнас дренирующего слоя из песков мелких,
средней крупности и крупнозернистых с коэффициентом
фильтрации менее 10 м/сут.
3,5hнас/L
0,4
0,02
0,03
0,2
0,04
i=0.05
0
0,004
0,008
0,012
g/p /Kф
Рис.7.5. Расчет дренирующего слоя из крупных песков с коэффициентом
фильтрации более 10 м/сут.
103
Таблица 7.2
Осредненное значение притока воды в дренирующий слой
Дорожноклиматическая
зона
Схема
увлажнения
рабочего
слоя
II
1
2
3
1
2
3
3
III
IV и V
Объем воды, поступающей в основание дорожной одежды
из грунта, л/м2
супеси
суглинка и
суглинка
супеси
легкой и песглины
пылеватого
пылеватой
ка пылеватого
15/2,5
20/2
35/3
80/3,5
25/3
50/3
80/4
130/4,5
60/3,5
90/4
130/4,5
180/5
10/1,5
10/1,5
15/2
30/3
15/2
25/2
30/2,5
40/3
25/2,5
40/2,5
50/3,5
60/4
20/2
20/2
30/2,5
40/3
Примечания: 1. В числителе дан общий объем воды Q, л/м2, поступающий в основание за весь расчетный период, в знаменателе (q) – за сутки. Для насыпей из непылеватых грунтов высотой более
требуемой СНиП (см.табл.П.2.4) во II дорожно-климатической зоне принимают q =1,5 л/м2сут.
2. При наличии разделительной полосы для участков насыпей, проходящих в нулевых отметках, высотой меньше требуемой СНиП во II дорожно-климатической зоне, расчетные значения
q повышают на 20%.
Таблица 7.3
Значения коэффициентов
Дорожноклиматическая
зона
II
III
IV и V
Схема
увлажнения
рабочего слоя
1
2
3
1
2
3
3
Knк для грунтов
Kг для пылева-
непылеватых
пылеватых
тых грунтов
1,5
1,5
1,6
1,4
1,4
1,5
1,5
1,5
1,6
1,7
1,5
1,5
1,6
1,3
1,0/1,0
1,2/1,2
1,3/1,2
1,0/1,0
1,1/1,0
1,2/1,1
1,1/1,0
Примечания: 1. Для непылеватых грунтов Kг=1,0.
2.В числителе – для дорог I иII категорий, в знаменателе – III и IV.
Таблица 7.4
Коэффициент уменьшения притока воды в дренирующий слой Kp
Мероприятие
Укрепление обочин (по отношению к неукрепленным)
Монолитные слои основания
с остаточной пористостью
материала до 5%
0,70
0,895
0,80
Kp для грунта
легкого
суглинка
0,75
0,90
0,80
тяжелого суглинка, глины
0,80
0,95
0,80
0,90
0,90
0,90
Схема увлажнения
супеси
1
2,3
1
2,3
104
Квог
2,0
1,8
i1 − i2
= 1,0
i2
1,6
1,4
0,5
0,3
1,2
1,0
0,25
0
0,2
0,2
0,4
0,6
0,8 Кфi2/n
Рис.7.6. Номограмма для определения коэффициента Kвог увеличения
объема воды в дренирующем слое в местах изменения вогнутого
профиля
Полная толщина дренирующего слоя, работающего по принципу поглощения, определяется по формуле
hn =
[Q (1000n ) + 0,3hзап ] ,
(1 − ϕ зим )
(7.6)
где Q – расчетное количество воды, накапливающейся в дренирующем
слое за весь расчетный период, л/м2 (см. табл.7.2); φзим – коэффициент заполнения пор влагой в материале дренирующего слоя к началу оттаивания, принимаемый по данным табл.7.5; n – пористость дренирующего слоя, доли единицы.
Таблица 7.5
Значение коэффициента заполнения пор влагой φзим
Толщина дренирующего слоя, см
до 20
20-40
более 40
Значение φзим для II дорожно-климатической зоны при пористости n
0,4
0,36
0,32
0,28
0,40
0,35
0,30
0,50
0,40
0,35
0,60
0,50
0,45
0,70
0,60
0,55
Примечание. В III дорожно-климатической зоне величину φзим следует уменьшить на 20%.
105
Если дренирующий слой работает по принципу осушения с периодом запаздывания отвода воды, то его полную толщину (в метрах), достаточную для
временного размещения в его порах воды, поступающей в конструкцию в начальный период ее оттаивания, рассчитывают по формуле
hn =
[q T
p зап
n + 0,3hзап
(1 − ϕ зим )
],
(7.7)
где Tзап – средняя продолжительность запаздывания начала работы водоотводящих устройств, сут; hзап – дополнительная толщина слоя, зависящая от
капиллярных свойств материала; φзим – коэффициент заполнения пор влагой в
материале дренирующего слоя к началу оттаивания (см. табл.7.5); qp – расчетное значение притока воды, поступающей за сутки.
Средняя продолжительность запаздывания принимается в расчетах для II
дорожно-климатической зоны Tзап = 4-6 сут, для III дорожно-климатической
зоны Tзап 3-4 сут (большие значения для мелких песков).
На участках, где длина пути фильтрации L > 10 м, дренирующий слой
должен быть рассчитан на поглощение всего количества воды, поступающей за
весь расчетный период.
Вопросы для самопроверки
1. За счет каких физических процессов происходит весеннее переувлажнение грунта и снижение прочности дорожных конструкций?
2. Что такое дренирующий слой и его назначение в дорожной конструкции?
3. Какие материалы применяются для заполнения дренажных воронок?
4. Каково назначение дренажных трубок и схемы их размещение в дорожной конструкции ?
5. В какой последовательности производится проектирование дренажной
системы дорожной одежды ?
6. Какие расчетные этапы работы дренажных конструкций дорожной одежды Вы знаете ?
7. Как определяется полная толщина дренажного слоя ?
8. Какие факторы учитываются при выборе характерных типичных участков
дороги при проектировании дренажных систем?
9. Как определяется длина пути фильтрации влаги при односкатном и двускатном поперечных профилях земляного полотна?
10. От каких факторов зависит величина притока воды в дренирующий слой
?
11. Какие меры по регулированию водно-теплового режима уменьшают
приток воды в дренирующий слой ?
106
8. УСИЛЕНИЕ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
8.1. Проектирование усиления дорожных одежд при капитальном
ремонте и реконструкции
В процессе эксплуатации дорожной конструкции под воздействием автомобильного движения, погодно-климатических и грунтово-гидрологических
факторов происходит постепенное снижение ее прочности, связанное с внутренними, необратимыми изменениями в каждом из конструктивных элементов.
Рост интенсивности движения большегрузных автомобилей приводит к износу
и разрушению дорожных одежд. В связи с этим в настоящее время в дорожной
отрасли приоритет отдается сохранению существующей сети автомобильных
дорог посредством содержания, ремонта и реконструкции [5].
Действующая классификация ремонтных работ предусматривает усиление дорожных одежд при капитальном ремонте [48].
Капитальный ремонт автомобильной дороги – комплекс работ, при котором производится полное восстановление и повышение работоспособности
дорожной одежды и покрытия. Проектирование усиления дорожной одежды
при капитальном ремонте производится по нормативам категории, установленной для ремонтируемой дороги. Основная задача капитального ремонта состоит в полном восстановлении и повышении транспортно-эксплуатационного состояния дороги до уровня, позволяющего обеспечить нормативные требования
на период до очередного капитального ремонта.
При капитальном ремонте производится:
- усиление дорожных одежд с исправлением продольных и поперечных
неровностей;
- укладка дополнительных слоев основания и покрытия, в том числе с использованием армирующих, изолирующих, дренирующих и других материалов;
- устройство более совершенных типов покрытий с использованием существующих дорожных одежд в качестве основания;
- устройство новых дорожных одежд в местах исправления и перестройки
земляного полотна;
- ликвидация колей глубиной более 45 мм с заменой нестабильных слов
дорожной одежды методами фрезерования и регенерации с укладкой одного
или нескольких слоев сдвигоустойчивого асфальтобетона (эти работы могут
проводиться как на ширину полос наката, так и на всю ширину покрытия).
Проектирование усиления дорожных одежд производится также при реконструкции автомобильных дорог.
Реконструкция дороги предусматривает увеличение несущей способности дорожной одежды путем ее коренного переустройства, при котором параметры дороги повышаются до уровня, позволяющего обеспечить нормативные
требования до очередной реконструкции. Реконструкция предполагает обязательное повышение категории автомобильной дороги и увеличение требуемого
107
модуля упругости дорожной одежды в соответствии с нормами проектирования
для данной категории.
При подготовке технико-экономических обоснований для капитального
ремонта или реконструкции дорог и для решения вопроса об усилении существующих дорожных одежд производится оценка их прочности.
В качестве обобщающего критерия прочности используют величину модуля упругости дорожной конструкции. Требуемые показатели прочности назначают с учетом принятой расчетной нагрузки, ее суммарной повторяемости
за срок службы дорожной одежды, типа дорожного покрытия, дорожноклиматической зоны и грунтово-гидрологических условий.
Для оценки фактической прочности выполняют полевые испытания дорожных одежд в расчетный период года - наиболее неблагоприятный по условиям увлажнения (обычно весенний), в течение которого прочность дорожных
конструкций достигает минимальных значений.
По результатам полевых испытаний, обработанных методами математической статистики, определяют фактические показатели прочности дорожных
одежд и сопоставляют их с величинами, требуемыми по условиям движения.
Порядок проведения полевых испытаний, а также методика обработки их
результатов регламентируются нормативными документами [45, 49].
Прочными считаются те участки дорог, на которых фактические показатели прочности оказываются не ниже требуемых.
Вопрос об усилении дорожной одежды рассматривается всегда, если ее
фактический модуль упругости, определенный в результате полевых испытаний, оказывается меньше требуемого. Усиление конструкции дорожной одежды подразумевает ее утолщение или устройство более совершенных типов покрытий с использованием существующей одежды в качестве основания. Проектирование и расчет слоев усиления осуществляется с использованием основных
положений проектирования нежестких дорожных одежд, но с учетом особенностей, связанных с наличием старой конструкции, и характера исходных данных.
Учитывая высокую стоимость дорожных конструкций, для снижения
стоимости реконструкции стремятся максимально использовать существующую дорожную одежду, а также повторно использовать материалы разобранной конструкции. Возможность использования старой конструкции дорожной
одежды зависит от ее состояния.
В большинстве случаев существующую дорожную одежду стремятся сохранить и использовать в виде основания для будущей конструкции.
Таким образом, в проекте реконструкции автомобильной дороги необходимо учитывать следующие требования:
− максимальное использование существующей дорожной одежды;
− обеспечение равнопрочности между реконструируемой и заново устроенной дорожной одеждой;
− предотвращение появления копирующих трещин на заново устроенных
слоях покрытия;
108
− обеспечение совместной работы слоев усиления и старой конструкции
дорожной одежды.
Проектирование усиления дорожной одежды производят в две стадии. На
первой стадии знакомятся с имеющейся проектной и исполнительной документацией. В проектной документации выясняют принятые расчетные характеристики конструктивных слоев существующей дорожной одежды и грунта земляного полотна. По исполнительной документации определяют сроки проведения ремонтных работ, таких как устройство дополнительных слоев асфальтобетона, а также поверхностной обработки.
Вторая стадия включает в себя:
− установление возможности использования старой конструкции в виде
слоя основания будущей дороги;
− проектирование и расчет слоев усиления существующей дорожной одежды;
− проектирование и расчет дорожной одежды в местах нового строительства, включая полосы уширения проезжей части;
− обеспечение трещиностойкости покрытия против появления копирующих
трещин и в местах сопряжения слоев усиления и новой дорожной конструкции.
8.2. Назначение требуемой прочности для усиления
нежестких дорожных одежд
При разработке проектов на ремонт и реконструкцию автомобильных
дорог для оценки прочности и расчета толщины слоев усиления определяют
требуемую прочность дорожных одежд.
Требуемый показатель прочности дорожных одежд назначают с учетом
многократного повторного воздействия расчетной нагрузки за рассматриваемый перспективный период времени по величине фактической интенсивности
движения транспортного потока, приведенной к расчетной нагрузке. Расчет
производится по формуле
ω
N Ф = N ⋅ ∑ α j ⋅ Pj ,
j =1
(8.1)
где NФ - приведенная к расчетной нагрузке фактическая интенсивность
движения на полосу на момент проведения полевых испытаний, авт./cyт; N интенсивность движения транспортного потока на полосу в момент испытания
дорожной конструкции, авт./сут; ω- количество типов автомобилей в транспортном потоке; αj - коэффициент приведения рассматриваемого типа автомобиля к расчетной нагрузке; Pj - доля j-гo типа автомобиля в составе транспортного потока.
При приведении транспортного потока к расчетной нагрузке легковые автомобили не учитывают, используют коэффициенты приведения, назначенные
с учетом типа дорожной одежды или прочности дорожной конструкции. Коэф-
109
фициенты приведения (αj) осевых нагрузок транспортных средств к расчетной
осевой нагрузке для расчета усиления нежестких дорожных одежд приведены
в прил. 5 (см. табл. П.5.1).
Величину интенсивности движения транспортного потока на полосу (N) в
расчетный период года определяют по данным автоматизированных пунктов
учета интенсивности и состава дорожного движения. На участках дорог, где такие пункты отсутствуют, используют многолетние данные визуального учета
дорожного движения, выполняемого органами управления дорожным хозяйством.
Для оценки прочности и расчета усиления нежестких дорожных одежд
следует использовать расчетную осевую нагрузку 100 кН, для которой принимаются основные расчетные параметры (см. табл. 4.1).
В общем случае требуемый модуль упругости дорожных одежд и земляного полотна рассчитывают по формуле
Етр = Еmin ⋅ К пр ⋅ К рег ⋅ К си ⋅ К z ⋅
1
Xj ,
(8.2)
где Еmin - минимальное значение модуля упругости, МПа; Кпр - коэффициент относительной прочности дорожной одежды, принимаемый по табл. 8.1;
Крег - региональный коэффициент, зависящий от дорожно-климатической зоны
(ДКЗ) Крег=1 - для I-IV ДКЗ; Крег = 0,85 для V ДКЗ (см. рис. П.2); Кси - коэффициент, учитывающий сопротивление конструктивных слоев дорожных одежд
сдвигу и изгибу (см. прил. 5, табл. П.5.2 – П.5.4); Xj - параметр, зависящий от
допускаемой вероятности повреждения покрытия, определяемый по табл. 8.2;
Кz - расчетный коэффициент, зависящий от фактической интенсивности движения, принимаемый по данным табл. 8.3.
Указанная в табл. 8.2 допустимая степень повреждения покрытия (rдоп)
определяется в результате полевых испытаний путем измерения показателя
ровности [42,49].
Таблица 8.1
Значения коэффициента относительно прочности
Тип дорожной одежды, категория дорог
Кпр
Дорожные одежды капитального типа на дорогах I-II категории
1,00
Дорожные одежды капитального типа на дорогах III-IV категорий
0,94
Облегченные дорожные одежды
0,90
Переходные дорожные одежды
0,63
Таблица 8.2
rдоп 0,490
Xj 1,05
0,365
1,10
0,255
1,15
Значения параметра Xj
0,180 0,140 0,100 0,075 0,055
1,20 1,25 1,30 1,35
1,40
110
0,040 0,00
1,45 ≥ 1,60
Таблица 8.3
Значения расчетного коэффициента Кz
Фактическая интенсивность дорожного движения Nф, авт./сут
10
50
100
500
1000
2000
3000
4000
5000
Расчетный коэффициент Kz
0,30
0,70
0,78
0,97
1,00
1,02
1,05
1,06
1,07
Минимальное значение модуля упругости дорожной конструкции определяется расчетом.
Если рост интенсивности движения во времени соответствует закону
геометрической прогрессии, то расчет ведется по формуле
Emin
q ti − 1 ⎞ ⎤
⎡ ⎛
= A + B ⎢ lg ⎜ γ ⋅ ω * ⋅ N1 ⋅
⎟ − 1⎥ ,
−
q
1
⎣ ⎝
⎠ ⎦
(8.3)
где A и B - эмпирические коэффициенты, принимаемые для расчетной нагрузки A = 125, B = 68; γ - параметр, учитывающий суммарное число приложений расчетной нагрузки; ω* - коэффициент, учитывающий продолжительность
расчетного периода и агрессивность воздействия расчетных автомобилей в разных погодно-климатических условиях, принимаемый по данным табл. 8.4; N1 среднесуточная интенсивность движения на полосу в расчетный период 1-го
года эксплуатации, приведенная к расчетному автомобилю, авт./cyт; q - показатель роста интенсивности движения; ti - расчетный период эксплуатации дорожной одежды, годы.
Параметр γ принимается для усовершенствованных капитальных дорожных одежд γ = 0,12, облегченных γ = 0,148 и переходных γ = 0,171.
Таблица 8.4
Значения коэффициента ω*
Тип дорожной
одежды
Капитальный
Облегченный
Переходный и
низший
Осредненное значение коэффициента ω* для дорожно-климатических зон
(см. рис. П.2)
I
II
III
IV
V
1,30
1,14
1,00
0,89
0,79
1,39
1,17
1,00
0,86
0,74
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
Независимо от результата расчета, полученного по формуле (8.3), величина Emin должна быть не менее значений, указанных в табл. 8.5.
111
Таблица 8.5
Значения минимального модуля упругости
Категория
дороги
I
II
III
IV
V
Минимальный модуль упругости Emin для покрытий
капитального типа
облегченного типа
переходного типа
230
220
210
200
200
150
100
100
50
При изменении интенсивности движения во времени по линейному закону или при постоянной интенсивности движения величина минимального значения модуля упругости рассчитывается по формуле
Emin = A + B ⋅ lg [ γ ⋅ ω * ⋅ N1 ( 1,1Y − 1 ) ] .
(8.4)
При линейной закономерности изменения интенсивности движения автомобилей во времени временной параметр (Y) вычисляется по формуле
{
}
ξ ( ti − 1 ) ⎤
Y = 24, 2 ⋅ lg 0,1 ⋅ ti ⎡⎢1 +
+1 ,
2 ⋅ N1 ⎥⎦
⎣
(8.5)
где ξ - показатель роста интенсивности движения при линейном изменении ее во времени.
При постоянной интенсивности движения автомобилей временной параметр (Y) находят по формуле
Y = 24, 2 ⋅ lg ( 0,1 ⋅ ti + 1 ) .
(8.6)
8.3. Особенности конструирования и расчета слоев усиления
дорожной одежды
При конструировании слоев усиления нежесткой дорожной одежды соблюдаются определенные правила.
1. Способ повышения прочности дорожной одежды выбирают в результате технико-экономического сравнения вариантов.
2. При использовании фрезерования дорожного покрытия в расчетах используют значения фактической прочности дорожной одежды, полученные после фрезерования.
3. Если на момент проведения обследований фактический модуль упругости больше требуемого (Еф > Етр), а ровность покрытия неудовлетворительная,
осуществляют укладку выравнивающего слоя с обеспечением сцепных свойств
поверхности дорожного покрытия.
4. Тип покрытия при назначении слоев усиления выбирают с учетом перспективной интенсивности движения автомобилей.
5. Верхний слой усиления дорожной одежды по прочностным характеристикам не должен уступать существующему покрытию. Например, при сущест-
112
вующем асфальтобетонном покрытии верхний слой усиления также должен
быть из асфальтобетона.
6. В результате технико-экономического обоснования вместо усовершенствованных облегченных или переходных дорожных покрытий могут быть назначены более совершенные покрытия.
7. Материал дорожного покрытия должен обеспечивать требуемые сцепные свойства и обладать устойчивостью к возникновению сдвигов, наплывов,
колейности и волн при высоких температурах.
8. Общая толщина слоев усиления не должна быть меньше величин, указанных в табл. 8.6.
Таблица 8.6
Минимальные толщины слоев усиления
Материал слоев усиления
Толщина
слоев усиления, см
Материал слоев усиления
Толщина
слоев
усиления,
см
Асфальтобетон:
Щебеночные и гравийные ма8
крупнозернистый
6-7
териалы, обработанные цеменмелкозернистый
3-5
том на твердом основании
песчаный
3-4
Грунты, обработанные органи6
холодный
3
ческим вяжущим способом
Щебеночные и гравийные мате5
смешения на дороге
риалы, обработанные органичеМинеральные материалы, не
ским вяжущим в установке и
обработанные вяжущим, на:
смешением на дороге
щебеночном слое
8
Щебень, обработанный органи8
гравийном слое
10
ческим вяжущим способом
песчаном слое
15
пропитки
Примечание. Большие значения толщин асфальтобетонных покрытий даны для дорог I-II технических категорий, меньшие – для дорог III-IV категорий.
9. Во всех случаях толщина каждого слоя должна не менее чем в 1,5 раза
превышать размер наиболее крупных частиц каменного материала, из которого
изготовлен данный слой.
Расчет толщины слоев усиления ведут, используя номограмму (см. рис.
5.2), в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Расчетная схема усиления нежесткой дорожной одежды
113
При использовании номограммы сначала назначают модули упругости
слоев усиления (Е1) в соответствии с данными табл. 4.16-4.25, затем рассчитывают соотношения (Еф/Е1) и (Етр/Е1), по номограмме находят соотношение
(X=h/D). Используя расчетный диаметр отпечатка колеса (D) (табл. 4.1), определяют искомую толщину слоя усиления:
h = X ⋅ D.
(8.7)
Если по расчету необходимо однослойное усиление и толщина слоя усиления меньше его величины, указанной в табл.8.6, но больше половины этой
величины, то следует принять толщину слоя усиления по табл.8.6 или рассмотреть вариант укладки материала, позволяющего делать более тонкие слои.
Если по расчету толщина слоя усиления из материала, обработанного органическим вяжущим, получилась менее половины величины, указанной в
табл.8.6, то достаточно провести поверхностную обработку существующего
покрытия после соответствующего ямочного ремонта.
При проектировании усиления дорожной одежды одной из основных задач является исключение появления отраженных или копирующих трещин на
новом покрытии. Копирующая трещина представляет собой разрушение покрытия в месте старого дефекта проезжей части. Для предотвращения появления копирующих трещин минимальную толщину слоев, содержащих органическое вяжущее и укладываемых на старое асфальтобетонное покрытие, назначают в зависимости от перспективной интенсивности движения на полосу, приведенной к расчетным нагрузкам (Nt) в соответствии с данными табл.8.7.
Таблица 8.7
Минимальная толщина слоев, содержащих органическое вяжущее,
при усилении нежестких дорожных одежд
Интенсивность расчетной нагрузки, авт/сут
Минимальная толщина покрытия из материала, содержащего органическое вяжущее, см
100
200
500
1000
2000
5000
>5000
7
8
10
12
13
15
17
Если по расчету толщина слоя усиления больше значений, указанных в
табл.8.7, нижнюю часть следует предусматривать из менее прочного и дорогостоящего материала, чем асфальтобетон. Материалы, рекомендуемые для нижней части слоя усиления в зависимости от материала существующего покрытия,
приведены в табл. 8.8.
Если толщина нижнего слоя усиления, не содержащего органическое вяжущее, меньше предусмотренного табл. 8.6, то этот слой должен быть заменен
за счет утолщения вышележащего слоя, содержащего органическое вяжущее.
Если нижний слой усиления предусмотрен из грунта, гравия или щебня,
укрепленных неорганическим вяжущим, то для предупреждения появления
большого количества трещин на покрытии из асфальтобетона оно должно
иметь толщину не менее 12 см.
114
Таблица 8.8
Материалы, рекомендуемые для нижней части слоя усиления в зависимости
от материала существующего покрытия
Существующее покрытие
Гравий
Щебень
Материалы, рекомендуемые для нижней части
слоя усиления
Грунт,
укрепленный
вяжущим
Гравий или Гравий или
щебень,
щебень с
укрепленгранулиный вяжу- рованным
щим
шлаком
Гравийное, не обработанное вяжущим
Щебеночное, не обработанное вяжущим, булыжная мостовая, мостовая,
мостовая из брусчатки и мозаики
Цементогрунтовое с поверхностной
обработкой и без нее
Из гравийных и щебеночных смесей,
обработанных органическим вяжущим, асфальтобетон
+
+
-
+
+
-
+
-
+
+
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
Если толщина слоев, содержащих органическое вяжущее, меньше 12 см,
то материал, укрепленный неорганическим вяжущим, следует заменить материалом верхних слоев, предусмотрев их утолщение по расчету.
Материалы, не обработанные вяжущим, можно укладывать в нижнюю
часть слоев усиления только в том случае, если под ними расположены слои из
водопроницаемого материала (гравия, щебня). Если материал, не обработанный
вяжущим, положить между слоями из водонепроницаемых материалов, то в
этом слое будет происходить влагонакопление, что ускорит их разрушение при
промерзании и потерю прочности в расчетный период. Исключение составляют
конструкции на дорогах, расположенных в местах, где отсутствует сезонное
промерзание дорожных одежд.
При усилении дорожной одежды возможны следующие случаи.
1. Если на момент проведения обследований дорожной одежды фактический модуль упругости больше требуемого (Еф>Етр), а ровность покрытия неудовлетворительная, осуществляют укладку выравнивающего слоя с обеспечением сцепных свойств поверхности дорожного покрытия.
2. При наличии проектных данных на старую дорожную одежду, результатов измерения толщины всех конструктивных слоев дорожной одежды, характеристики их состояния и качества, сведений о виде грунта земляного полотна и условиях его увлажнения допускается проектировать слои усиления на
основе этих данных. В этом случае толщины слоев усиления следует назначать
на основе расчета дорожной одежды по трем критериям. Порядок расчета приведен в разделе 5. Расчетная схема приведена на рис.8.2.
115
3. Если имеются достоверные
данные о фактических прогибах
существующих покрытий под колесом расчетного автомобиля в
расчетный период наибольшего ослабления дорожной одежды, то
толщину слоев усиления следует
назначать на основе расчета по упругому прогибу всей конструкции с
проверкой на растяжение при изгибе и на сдвиг при высоких температурах только вновь укладываемых
слоев.
4. В случае многочисленных разРис. 8.2. Расчетная схема слоев усиления рушений дорожной одежды, таких
как выбоины, сетка трещин, волны,
проломы, и при низкой несущей способности (модуль упругости составляет
менее 50% от первоначального значения) данная конструкция подлежит разборке с последующим использованием ее материалов. При этом необходимо
произвести исследование свойств материалов с целью определения путей их
рационального использования в конструкции будущей дороги. Если в конструкции реконструируемой дороги были использованы некондиционные местные материалы, такие как малопрочные известняки, ракушечники или битумоминеральные смеси на их основе, песчаные асфальтобетоны, то их дальнейшее
использование нецелесообразно вследствие их необратимых разрушений при
эксплуатации. Поэтому может быть выбран вариант замуровывания такой конструкции под высокую насыпь без разборки.
При проектировании усиления конструкции дорожной одежды обязательно учитывают необходимость исправления дефектов старого покрытия путем устройства выравнивающего слоя из черного щебня или крупнозернистого
асфальтобетона.
При увеличении ширины земляного полотна и проезжей части конструирование и расчет дорожной одежды ведутся стандартными методами. Однако
следует предусматривать совмещение новой конструкции со слоями усиления.
Необходимо получить однотипное, равнопрочное покрытие на всем протяжении реконструируемого участка по всей его ширине. Это достигается путем
устройства одинаковых слоев покрытия для участка усиления и нового строительства. Схема сопряжения слоев усиления существующей дорожной одежды
с конструкцией, запроектированной для уширения проезжей части, приведена
на рис. 8.3.
116
Еобщусиления = Еобщ
h1 ус.
h2 ус
Существующая дорожная одежда
Рис. 8.3. Сопряжение усиления дорожной одежды с конструкцией,
запроектированной для уширения проезжей части
Как уже отмечалось выше, при конструировании усиления дорожной
одежды основной задачей является исключения появления отраженных или копирующих трещин на новом покрытии. Копирующая трещина представляет собой разрушение покрытия в месте старого дефекта проезжей части. Как показывает практика эксплуатации существующих автомобильных дорог, минимальной толщины слоев, содержащих органическое вяжущее (см. табл. 8.6),
оказывается недостаточно и уже на 2-3 год после усиления старой конструкции
на поверхности нового покрытия появляются копирующие трещины, особенно
если слои усиления устраиваются только из мелкозернистых и крупнозернистых асфальтобетонов.
В связи с этим в современном дорожном строительстве для предотвращения копирующих трещин предусматриваются три основных решения, принимаемых на стадии проектирования.
Первый метод основан на прерывании копирующей трещины непосредственно на поверхности старого покрытия путем устройства тонких армирующих прослоек из нетканых синтетических материалов или геотекстильных решеток, непосредственно укладываемых на старое покрытие.
Во втором случае стремятся повысить сопротивление растяжению нижних слоев усиления за счет их армирования синтетическими или стекловолокнистыми георешетками. Например, армирующие элементы укладываются в
нижний слой крупнозернистого асфальтобетона.
Третий, наиболее дешевый метод заключается в использовании в нижних
слоях усиления материалов, не передающих растягивающие напряжения от существующей трещины старого покрытия на монолитные верхние слои. Общая
прочность конструкции при этом не снижается. Такими свойствами обладают
слои из черного щебня, битумопесчаных смесей, холодного асфальтобетона.
Данный метод целесообразно использовать, когда общая толщина слоев усиления составляет более 10 см, а также в случаях необходимости устройства выравнивающих слоев на больших по протяженности участках, когда толщина
выравнивающего слоя может достигать 15-20 см.
117
Вопросы для самопроверки
1. В чем заключаются особенности проектирования усиления нежестких дорожных одежд при капитальном ремонте?
2. Каковы особенности проектирования усиления нежестких дорожных
одежд при реконструкции автомобильной дороги?
3. Какие дорожные одежды считаются прочными?
4. При соблюдении каких условий проектируют усиление дорожной одежды?
5. Какие требования при конструировании усиления учитываются в проекте
реконструкции автомобильной дороги ?
6. От каких параметров зависит требуемый показатель прочности?
7. Как определяется интенсивность движения, приведенная к расчетной нагрузке?
8. Какая расчетная осевая нагрузка используется при проектировании усиления нежестких дорожных одежд?
9. От каких фактов зависит требуемый модуль упругости при расчете усиления дорожных одежд?
10. Какие правила соблюдаются при конструировании слоев усиления?
11. Чем определяется минимальная толщина слоев усиления?
12. Каковы правила расчета толщины слоя усиления с использованием номограммы?
13. Как производится расчет усиления дорожной одежды при наличии проектных данных на существующую конструкцию в полном объеме?
14. По каким критериям проверяется дорожная одежда при наличии проектных данных на существующую конструкцию ?
15. По каким критериям рассчитывается усиление дорожной одежды при наличии данных о фактических прогибах существующей конструкции?
16. Как осуществляется сопряжение усиления дорожной одежды с конструкцией, запроектированной для уширения проезжей части?
17. Какие инженерные решения могут быть предусмотрены в проекте усиления для предотвращения появления копирующих трещин на покрытии?
118
9. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
Автоматизированное проектирование дорожных одежд позволяет получить оптимальные проектные решения для различных критериев оптимальности. Один из основных критериев – минимальная строительная стоимость.
Многие современные системы автоматизированного проектирования автомобильных дорог (САПР-АД) содержат подсистемы проектирования нежестких дорожных одежд. Наиболее популярная программа – РАДОН, входящая в
состав САПР, разработанной СП КРЕДО-ДИАЛОГ [50].
Программа РАДОН выполняет конструктивные расчеты дорожной одежды нежесткого типа по отраслевым нормативам Российской Федерации и предоставляет дополнительные возможности по принятию наиболее рациональных
решений.
Алгоритм программы построен на использовании методов современной
теории упругости в применении к расчетам конструкции дорожных одежд. Он
предполагает возможность выбора пользователем оптимального решения. Необоснованный запас прочности дорожной конструкции исключается посредством варьирования толщины слоев.
Программа применяется при проектировании дорожных одежд на вновь
строящихся дорогах, на реконструируемых участках дорог, при усилении существующих дорожных одежд, при разработке каталогов и альбомов типовых решений по конструкциям дорожных одежд. Она является удобным инструментом для проектирования оптимальных конструкций дорожных одежд нежесткого типа с учетом местных климатических, геологических и конструктивных
факторов.
Расчеты конструкций дорожных одежд в зоне вечной мерзлоты в программе не предусмотрены
Основными функциями программы РАДОН являются прочностные инженерные расчеты конструкции нежестких дорожных одежд. Алгоритм расчета
предусматривает:
− приведение фактического состава движения к расчетной нагрузке;
− определение расчетных характеристик грунтов рабочего слоя;
− расчет по критерию упругого прогиба;
− расчет по критерию соответствия сопротивления материалов монолитных
конструктивных слоев возникающим в них растягивающим напряжениям от
многократной кратковременной динамической нагрузки;
− расчет по критерию соответствия сдвигоустойчивости материалов конструктивных слоев и грунта рабочего слоя касательным напряжениям, возникающим в них под воздействием многократных кратковременных нагрузок;
− проверку дорожной конструкции на морозоустойчивость и расчеты при
проектировании морозозащитных и теплоизолирующих слоев;
119
− определение требуемой толщины дренирующих слоев из дискретных материалов;
− минимизацию запаса прочности конструкции по одному из основных
критериев с учетом физико-механических характеристик слоев.
В составе функций программы реализованы дополнительные возможности, касающиеся новых конструктивных решений при проектировании и оценке
нежестких дорожных одежд. К таким функциям относятся:
− расчетное обоснование конструкции дорожных одежд с использованием
защитных или армирующих прослоек из рулонных синтетических материалов;
− проверка достаточности толщины асфальтобетонных слоев, укладываемых на жесткие и трещиноватые основания с использованием трещинопрерывающих прослоек;
− расчет по усилению существующих покрытий с учетом степени износа
конструктивных слоев по данным натурных вскрытий и визуальной оценки их
состояния;
− расчет по усилению существующих покрытий на основании данных натурно измеренного общего модуля упругости конструкции;
− проверка устойчивости оснований для дорожных и тротуарных покрытий
из сборных железобетонных плит при воздействии на них автомобильной нагрузки;
− расчет и проверка конструкции на воздействие нагрузки с ненормативным повышенным давлением в шинах и различным типом колес (одно- и двухбаллонных) при нестандартной нагрузке на ось.
Программа имеет стандартный интерфейс Windows.
Для корректной работы в программе необходимо соблюдать определенную последовательность действий.
1. Внести данные по дорожно-строительным материалам и автомобилям в
имеющуюся базу данных либо откорректировать имеющиеся в базе записи.
Структура базы данных (БД) по автомобилям выполнена в виде дерева
отдельных групп автомобилей (легковые, грузовые, самосвалы, автопоезда, автобусы, троллейбусы), каждая из которых содержит подгруппы, включающие
списки попавших в них автомобилей. Вид окна БД по автомобилям приведен на
рис. 9.1.
Работа с базой данных по дорожно-строительным материалам (БД Материалы) содержит произвольное количество подгрупп и списков закрепленных в
ней материалов. Вид окна базы данных приведен на рис. 9.2.
Группы материалов в базе данных Материалы делятся на два вида:
− группы материалов, помеченных символом *, характеристики которых
зависят от региональных климатических условий (температуры и условий эксплуатации дороги). К ним отнесены асфальтобетоны, пески, тротуарные и железобетонные дорожные плиты,
− группы материалов, не помеченные символом *, прочностные характеристики которых не зависят от данных расчета.
120
Рис. 9.1. Вид окна базы данных Автомобили
Рис. 9.2. Вид окна базы данных Материалы
Информацию в базы данных можно добавлять, а имеющиеся записи можно корректировать и удалять.
2. Создать новый или открыть существующий проект.
При создании нового проекта определяется состав исходных данных в
соответствии с методикой расчета нежестких дорожных одежд, которая регламентируется действующими нормативными документами. Программа позволяет также работать с ранее созданными проектами конструкций дорожных
одежд.
3. Произвести ввод или редактирование данных по конструкциям дорожных одежд и параметрам расчета.
Исходные данные для расчета представлены командами меню и сгруппированы по смыслу:
121
−
−
−
−
−
−
климатические характеристики,
данные о дороге,
состав движения,
расчетные нагрузки,
слои конструкции,
режимы и условия расчета.
Данные вводятся через специальные оконные формы диалога проектировщика с программой. При вводе информации выбор данных предусмотрен с
помощью графической информации в виде карт, электронных справочников.
При вводе данных об интенсивности и составе движения, а также при
вводе слоев конструкции дорожной одежды используется информация соответствующих баз данных.
В окне диалога Режимы и условия расчета назначаются варьируемые
слои, указываются их максимальные толщины и шаг варьирования. Здесь же
указывается вид расчета (динамическая нагрузка или статическая) и вид расчета - новое строительство или усиление существующей конструкции.
4. Расчет конструкции
Возможны три варианта завершения расчета:
− расчет произведен,
− расчет приостановлен (выдается предупреждение о промежуточных результатах, учитывая которые расчет можно продолжить),
− расчет не был произведен (это возможно при некорректном введении исходных данных или при неполной исходной информации).
5. Визуальный просмотр результатов расчета, вывод отчета на печать.
6. Сохранение данных проекта.
Результаты расчета по программе РАДОН можно получить в трех видах:
- упрощенной визуальной схемы,
- отчета, который можно предварительно просмотреть на экране и распечатать на принтере;
- файла отчета в формате RTF.
Вопросы для самопроверки
1. Какой основной критерий оптимальности используется при автоматизированном проектировании нежестких дорожных одежд?
2. Решение каких задач осуществляется в программе РАДОН?
3. Какие дополнительные возможности предоставляет проектировщику
программа РАДОН?
4. Какова последовательность расчетов по программе РАДОН?
5. В каком виде могут быть представлены результаты проектирования?
122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учебное пособие ориентировано на освоение методов конструирования и
расчета нежестких дорожных одежд – основного и самого дорогостоящего конструктивного элемента автомобильной дороги, от надежной работы которого
зависят все ее транспортно-эксплуатационные показатели. Приведенные в пособии материалы позволяют студентам проводить вариантное проектирование
нежестких дорожных одежд. Для более углубленного детального ознакомления
с основами проектирования следует использовать действующие нормативные
документы, приведенные в библиографическом списке. При конструировании
дорожных одежд следует шире использовать местные материалы и типовые
конструкции на их основе, ознакомиться с которыми можно в специальном
«Каталоге конструкций дорожных одежд для ЦЧР», разработанном на кафедре
проектирования автомобильных дорог и мостов ВГАСУ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература
1. СНиП 2.05.02.85. Строительные нормы и правила. Автомобильные дороги.
– М.: Госстрой СССР, 2001. – 68с.
2. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд. –Утв.
20.12.00, распор. Росавтодора № ОС-35-р. –М.: Информавтодор, 2001. –145 с.
3. МОДН 2-2001. Проектирование нежестких дорожных одежд. –Утв.
15.12.2000, распор. МСД. –М.: Государственный дорожный научноисследовательский институт ФГУП «СоюздорНИИ»-, 2002. –111 с.
4. Бабков, В.Ф. Проектирование автомобильных дорог /В.Ф. Бабков, О.В.
Андреев. Ч.I. –М.: Транспорт, 1987. – С.295-343.
5. Проектирование автомобильных дорог. Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т.V / Г.А. Федотов, П.И. Поспелов, Э.К. Кузахметова, В.Д. Казарновский [и др.]; под ред. д-ра.техн.наук, проф. Г.А. Федотова, д-ра.техн.наук,
проф. П.И. Поспелова. - М.: Информавтодор, 2007. – 668 с.
Дополнительная литература
6. Проектирование дорожных одежд / Н.Н. Иванов, А.Н. Защепин, М.Б. Корсунский [и др.]. – М.: Автотрансиздат, 1955. –250 с.
7. Бируля, А.К. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд автомобильных дорог / А.К. Бируля. –М.: Транспорт, 1964. –167 с.
8. Корсунский, М.Б. Повышение научно-технического уровня проектирования дорожных одежд /М.Б. Корсунский//Автомобильные дороги.–1982.–№8.–
С.16-18.
9. Бируля, А.К. Работоспособность дорожных одежд / А.К. Бируля, С.И. Михович. –М.: Транспорт, 1968. – 171 с.
10. Корсунский, М.Б. Технико-экономическое обоснование конструкций дорожных одежд / М.Б. Корсунский. –М.: Транспорт, 1964. – 95 с.
123
11. Бабков, В.Ф. Проектирование автомобильных дорог / В.Ф. Бабков, О.В.
Андреев, М.С. Замахаев.–М.: Транспорт, 1970. –Ч.I. –400 с.
12. Дорожная наука: справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т.IV / А.П.
Васильев, В.Д. Казарновский, В.П. Носов [и др.]; под ред. канд.техн.наук А.А.
Надежко. - М.: Информавтодор, 2006. – 393 с.
13. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под. ред.
И.А. Золотаря, В.М. Сиденко, Н.А. Пузакова. –М.: Транспорт, 1971. –415 с.
14. Илиополов, С.К. Уточненный расчет напряженно-деформированного
состояния системы «Дорожная одежда-грунт» / С.К. Илиополов, М.Г. Селезнев. – Ростов-на-Дону: Российский госуд. строит. ин-т, 1997. – 125 с.
15. Илиополов, С.К. Механико-математическое моделирование системы
«Дорожная одежда-грунт» при анализе динамических процессов в ее
элементах: автореф.дис...докт. техн. наук. – Ростов-на-Дону, 1998. –45с.
16. Смирнов,А.В. Механика устойчивости и разрушения дорожных конструкций/А.В.Смирнов, А.А.Малышев, Ю.А.Агалков.-Омск:СибАДИ,1997.-91с.
17. Смирнов, А.В. Основы метода расчета и конструирования дорожных
одежд на действие подвижных нагрузок / А.В. Смирнов // СоюздорНИИ.
Материалы VI Всесоюзного совещания по основным направлениям научнотехнического прогресса в дорожном строительстве.– М.: Изд-во СоюздорНИИ,
1976. –Вып.8. – С. 4-6.
18. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. –Введ. 01.01.91. –М.: Изд-во стандартов,
1998. –25 с.
19. ГОСТ 23558-79. Материалы щебеночные, гравийные и песчаные, обработанные неорганическими вяжущими. Технические условия. –М.: Изд-во стандартов, 1984. –8 с.
20. ГОСТ 25607-83. Материалы нерудные для щебеночных и гравийных оснований и покрытий автомобильных дорог. Технические условия. –М.: Изд-во
стандартов, 1983. –9 с.
21. Обоснование расчетных параметров для нежестких дорожных покрытий.
– М.: Дориздат, 1952. –160 с.
22. Иванов, Н.Н. О работоспособности асфальтобетона в дорожном покрытии / Н.Н. Иванов, Л.Г. Ефремов //Сб.научн.тр. –М.: МАДИ, 1973. –
Вып. 63. – С.52-59.
23. Иванов, Н.Н. Новый метод расчета дорожных одежд нежесткого типа
/Н.Н. Иванов. –Киев: Будивельник, 1968. -80 с.
24. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд автомобильных
дорог / под ред. Н.Н. Иванова. -М.: Транспорт, 1964. – 120 с.
25. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд/ под ред. Н.Н.
Иванова. –М.: Транспорт, 1973. –328 с.
124
26.Научные исследования СоюздорНИИ за 50 лет.-М.:Транспорт,1977.-229с.
27. Радовский, Б.С. Расчетная схема дорожной одежды как сложной вязко-упругой среды под действием нагрузки. / Б.С. Радовский // СоюздорНИИ.
Материалы VI Всесоюзного совещания по основным направлениям научнотехнического прогресса в дорожном строительстве.– М., Изд-во СоюздорНИИ,
1976. –Вып.8. - С. 9-14.
28. Васильев, А.П. Методические указания по расчету нежестких дорожных
одежд / А.П. Васильев, Ю.М. Яковлев, М.С. Коганзон, Иркутск, 1998. –55 с.
29. Коган, Б.И. О применении точного решения теории упругости для многослойного полупространства и расчету нежестких дорожных покрытий /Б.И. Коган // Тр.ХАДИ. - Харьков: Изд-во ХГУ, 1958. –Вып.21. - С.113-125.
30. Проектирование оптимальных нежестких дорожных одежд / под. ред.
А.Я. Тулаева. –М.: Транспорт, 1977. –115 с.
31. Бабков, В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения / В.Ф. Бабков.
– М.: Транспорт, 1993. –271 с.
32. Васильев,А.П. Диагностика как основа управления состоянием автомобильных дорог / А.П. Васильев // Сб. докл. Международной конференции
«Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсоснабжения в условиях рыночных отношений». - Белгород, 1997. – С. 309-315.
33. Коганзон, М.С. Основные направления обеспечения работоспособности дорожной одежды / М.С. Коганзон // Сборник научных трудов «Особенности проектирования строительства и эксплуатации автомобильных дорог в Восточно-Сибирском регионе». – Иркутск, 1998. – С. 56-60.
34. Сильянов, В.В. Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог /В.В. Сильянов. – М.: Транспорт, 1984. –287 с.
35. Слободчиков, Ю.В. Условия эксплуатации и надежность работы автомобильных дорог /Ю.В. Слободчиков. – М.: Транспорт, 1987. –128 с.
36. Дорожный асфальтобетон /Л.Б. Геденцвей, Н.В. Горелышев, A.M. Богуславский, И.В. Королев / под ред. Л.Б. Гезенцвея. - М.: Транспорт, 1985, – 350 с.
37. Самодуров, С.И. Асфальтовый бетон с применением шлаковых материалов /С.И. Самодуров. – Воронеж: изд-во ВГУ, 1984. –108 с.
38. Самодуров, С.И. Гранулированные доменные шлаки и шлакопемзовые
пески в дорожном строительстве/С.И.Самодуров.–Воронеж: ВГУ, 1975. –184с.
39. Матвеев, Е.В. Исследование битумошлаковых смесей и условия их
применения в покрытиях автомобильных дорог: дис… канд. техн. наук, Воронеж, 1974. – 233 с.
40. Расстегаева, Г.А. Исследование процессов структурообразования смесей
из гранулированного шлака и вязкого битума при строительстве покрытий
автомобильных дорог: автореферат дис… канд. техн. Наук./Г.А. Расстегаева.
–Л.: 1970. –20 с.
125
41. Еремин, В.Г. Холодный асфальтобетон на шлаковых материалах и его
применение в покрытиях автомобильных дорог: дис... канд. техн. наук., Воронеж, 1987. –212 с.
42. Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа. ВСН
46-72. –М.: Транспорт, 1973. –110 с.
43. Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа. ВСН
46-83. –М.: Транспорт, 1985. –157 с.
44. СН 25-74. Инструкция по применению грунтов, укрепленных вяжущими
материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и
аэродромов. –М.: Стройиздат, 1975. –143 с.
45. ОДН 218.1.052-2002. Оценка прочности нежестких дорожных одежд. –
Утв. 19.11.2002, рас. Минтранса РФ . –М.: Информавтодор. 2003. –80с.
46. ГОСТ 52748-2007. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения
и габариты приближения на автомобильных дорогах общего пользования. –М.:
ИПК Издательство стандартов, 2006. – 28 с.
47. Дорожная терминология: Справочник /под. ред. М.И. Вейцмана. –М.:
Транспорт, 1985. -310 с.
48. Классификация работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог
общего пользования: Утв. Распоряжением Минтранса РФ № ИС-5-р от
3.01.2002г. - М.: Росавтодор, 2002. - 28 с.
49. ОДН 218.0.006-2002. Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог: Утв. Распоряжением Минтранса РФ № ИС-840-р от 3.10.2002г.
- М.: Росавтодор, 2002. - 138 с.
50. РАДОН. Расчет дорожных одежд. Руководство пользователя. –Минск,
СП Кредо-Диалог, 2006. –108 с.
51. Булдаков, С.И. Проектирование основных элементов автомобильной дороги. Учебное пособие /С.И. Булдаков. – Екатеринбург: Изд. Урал. гос. лесотехн. ун-та, 2009. – 310 с.
52. Корочкин, А.В. Проектирование нежестких дорожных одежд:
учеб.пособие /А.В. Корочкин. – М.: Изд. МАДИ (ГТУ), 2005. – 130 с.
53. Гридчин, А.М. Основы проектирования автомобильных дорог: учеб. пособие / А.М. Гридчин, Н.Г Горшкова.– Белгород: Изд.БГТУ им. В.Г. Шухова,
2006. –Ч.2. – 198 с.
54. Корочкин, А.В. Проектирование усиления дорожных одежд: учеб. пособие /А.В. Корочкин. – М.: Изд. МАДИ (ГТУ), 2007. – 86 с.
55. Девятов, М.М. Основы проектирования автомобильных дорог: учеб. пособие / М.М. Девятов. – Волгоград: Изд. ВолгГАСУ, 2009. – 428 с.
126
Приложение 1
Пример расчета дорожной одежды
1. Задание для проектирования
Требуется запроектировать дорожную одежду на автомобильной дороге в
Московской области - II дорожно-климатическая зона, 2-я подзона (см.рис.П.2).
Исходные данные для определения категории дороги:
Грузонапряженность – 868 тыс.т.км/км.
Пассажиронапряженность для:
легковых автомобилей – 1200 тыс.пасс.км/км;
автобусов
– 482 тыс.пасс.км/км.
Состав движения для грузовых автомобилей: 2 т – 20%; 4 т – 45%; 6 т –
8%; 8 т – 14%; 10 – 13%.
Коэффициент использования грузоподъемности, γ: для грузовых автомобилей - 0,91, для легковых - 0,90, для автобусов – 0,67.
Коэффициент использования пробега β: для грузовых автомобилей - 0,68,
для легковых - 0,69, для автобусов – 0,89.
Рост интенсивности движения р% =4,2%.
Исходные данные для расчета дорожной одежды:
Заданный уровень надежности Кн =0,95.
Срок службы дорожной одежды Тсл – 15 лет.
Грунт земляного полотна – супесь пылеватая.
Схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна – 2.
Дополнительные условия - расчет выполнен для насыпи высотой 1,5 м
при глубине залегания грунтовых вод 1,0 м от дневной поверхности.
2. Определение технической категории дороги
2.1. В соответствии с данными о составе движения рассчитаем среднюю
грузоподъемность грузовых автомобилей по формуле (5.4):
qcp = 2⋅0,2 + 4⋅0,45 + 6⋅0,08 + 8⋅0,14 + 10⋅0,13 = 5,1 т.
2.2. Определяем интенсивность движения на первый год эксплуатации
дороги по формуле (5.3):
Nгр = 868000⋅1,2/(365⋅ 5,1⋅ 0,91⋅ 0,68) = 904 авт/сут;
Nл = 1200000⋅1,2/(365⋅ 4⋅ 0,90⋅ 0,69) = 1588 авт/сут;
Nавт = 482000⋅1,2/(365⋅ 35⋅ 0,67⋅ 0,89) = 76 авт/сут.
Тогда суммарная интенсивность движения на первый год эксплуатации,
рассчитанная по формуле (5.2), составит:
N0 = Nгр + Nл + Nавт = 904 + 1588 + 76 = 2568 авт/сут.
127
2.3. Перспективную интенсивность движения на 20-й год эксплуатации
рассчитаем по формуле (5.1):
Nt = 2568(1 + 0,042)20 = 5847 авт/сут,
следовательно, согласно СНиП 2.05.02-85 (см. табл. 5.1) дорога относится
ко II категории. Согласно принятой классификации, (см. табл. 2.1) запроектируем для данной дороги нежесткую дорожную одежду с капитальным усовершенствованным покрытием.
3. Установление расчетной нагрузки и интенсивности движения
3.1. Для автомобильной дороги II категории примем параметры расчетной
нагрузки в соответствии с данными табл. 4.1 и рекомендациями ГОСТ Р527482007 [44]:
- нормативная статическая нагрузка на ось 115 кН,
- нормативная статическая нагрузка на поверхность покрытия от колеса
Qрасч = 57,5 кН,
- удельное давление колеса на покрытие р =0,6 МПа,
- расчетный диаметр следа движущегося колеса Dд = 40 см,
- расчетный диаметр следа неподвижного колеса Dн = 35 см.
3.2. Определим интенсивность движения грузовых автомобилей и автобусов по автомобильной дороге на 15-й год эксплуатации (в соответствии с заданным сроком службы) по формуле (5.1):
N15 гр = 904(1+0,042)15=1676 авт/сут;
N15 авт = 76(1+0,042)15=141 авт/сут.
3.3. Определим приведенную к расчетной интенсивность воздействия нагрузки Nр на последний год срока службы по формуле (4.2):
n
N p = f пол ∑ N m ⋅ S m.сум ,
m=1
где fпол – коэффициент, учитывающий число полос движения, в соответствии с табл. 4.2, примем fпол =0,55; n – общее число различных марок транспортных средств в составе потока; Nm – число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m-ой марки; Sm.сум – суммарный коэффициент приведения транспортного средства m-ой марки к расчетной нагрузке (см.
табл.4.4).
Nр= 0,55[1676⋅(0,2⋅0,004+ 0,45⋅0,111+ 0,08⋅0,40+ 0,14⋅0,69 + 0,13⋅0,69) +
+141⋅0,40)] = 0,55⋅507,3 = 279 авт/сут.
3.4. Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке
на поверхности дорожной конструкции за срок службы рассчитаем по формуле
(4.8).
Для расчетов примем:
128
- число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию
деформируемости конструкции для Московской области Трдг =125 (см. рис.4.2,
табл 4.6);
- q – показатель изменения интенсивности движения по годам по формуле (4.9),
q=1+0,042=1,042;
- расчетный срок службы дорожной одежды по заданию Тсл=15 лет;
- коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения
от среднего ожидаемого, в соответствии c табл.4.7 kп=1,49;
- Кс – коэффициент суммирования, вычислим по формуле (4.10):
qTсл − 1 1,04215 − 1
Kc =
=
= 20 ,24.
q −1
1,042 − 1
Тогда по формуле (4.8)
∑N
p
= 0,7 ⋅ 279
20,24
125 ⋅ 1,49 = 413580 = 4,1 ⋅ 10 5.
(15−1)
1,042
4. Определение величины минимального требуемого модуля упругости
Величину минимального требуемого модуля упругости вычислим по
формуле (5.5), приняв значение эмпирического параметра с= 3,20 для расчетной нагрузки на ось 115 кН:
тр
E min = 98 ,65 [lg (∑ N p ) − c ] = 98,65[lg(413580) - 3,20] =238 МПа.
Согласно табл. 5.2 для дорог II категории минимальное значение требуемого модуля упругости Еmin=220 МПа, что меньше полученного по расчету,
тр
следовательно, для расчета принимаем модуль упругости Е =238 МПа.
5. Определение требуемого уровня надежности и коэффициента
прочности
Для дороги II категории с капитальным типом дорожной одежды препр
дельный коэффициент разрушения Кр =0,05 (см. табл. 4.8).
Так как по заданию коэффициент надежности равен Кн =0,95, то в соответствии с табл. 4.8 требуемые минимальные коэффициенты прочности:
для расчета по упругому прогибу – 1,20,
по сдвигу и на растяжение при изгибе – 1,00.
6. Конструирование дорожной одежды
С учетом данных табл. 3.1, 3.4, 3.5 и рис. 2.1 принимаем следующую конструкцию дорожной одежды:
Покрытие – асфальтобетон плотный I марки, типа А, на битуме БНД
60/90, укладываемый в горячем состоянии, h1 =4 см.
129
Основание:
Верхний слой – асфальтобетон пористый на битуме БНД 60/90, укладываемый в горячем состоянии, h2 =8 см.
Нижние слои:
– черный щебень, уложенный по способу заклинки, h3 =12 см,
– гравийно-песчаная смесь, укрепленная цементом М20 (толщину слоя h4
необходимо определить расчетом).
Дополнительный слой основания – песок среднезернистый, h5 =20 см.
Грунт земляного полотна – супесь пылеватая.
7. Определение характеристик грунта земляного полотна
Расчетную влажность грунта Wр (в долях от влажности на границе текучести Wm) определим по формуле (4.19).
Для расчетов примем:
- среднее многолетнее значение относительной влажности грунта в долях
от границы текучести с учетом дорожно-климатической зоны, схемы увлажнения и типа грунта земляного полотна (см. табл.4.10) W таб = 0,70;
- поправка на особенности рельефа для равнинных районов Δ1W = 0 (см.
табл.4.11);
- поправка на конструктивные особенности проезжей части и обочин, для
обочин, укрепленных щебнем, Δ 2W = 0,02 (см. табл.4.12);
- поправка на влияние суммарной толщины стабильных слоев дорожной
одежды (см. рис.4.6) Δ 3 = 0,001;
- коэффициент нормированного отклонения для заданного уровня надежности (Кн =0,95) t = 1,71 (см. табл. 4.9).
(
)
W р = W таб + Δ1W − Δ 2 W (1 + 0,1 ⋅ t ) − Δ 3 = (0,70+0 - 0,02)⋅1,171-0,001=0,795≈0,80.
При расчетной влажности Wр = 0,80 модуль упругости грунта земляного
полотна Е =32 МПа (см. табл. 4.14) , ϕ = 130, С = 0,003 МПа (см. табл. 4.13),
φст = 340 (см. табл. 4.13, для Σ Np=1) .
8. Расчетные характеристики материалов конструктивных слоев
Для принятой конструкции дорожной одежды расчетные параметры, необходимые для проектирования, занесем в табл. П.1.1.
Расчетные значения прочностных характеристик конструктивных слоев
приняты в соответствии с табличными данными (номера таблиц указаны в
третьей колонке табл. П.1.1) и по правилам, изложенным в разделе 4.5.
130
1
2
3
4
5
6
Материал слоя
Асфальтобетон
плотный на БНД
60/90
Асфальтобетон
пористый на БНД
60/90
Черный щебень,
уложенный по заклинке
Гравийнопесчаная смесь,
укрепленная цементом
Песок среднезернистый
Грунт земляного
полотна – супесь
пылеватая
Номер таблицы
Номер слоя
Таблица П.1.1
Расчетные характеристики материалов конструктивных слоев и грунта
Расчетная
температура,
0
С
4.16
4.16
4.17
+10
+20
4.16
4.16
4.17
+10
+20
Е, МПа, при расчете по
допустимому упругому прогибу
Расчет на растяжение при
изгибе
условию
сдвигоустойчивости
Е,
МПа
R0 ,
МПа
α
m
4500
9,8
5,2
5,5
2800
8,0
5,9
4,3
3200
1800
2000
1200
4.20
4.21
600
600
600
400
400
400
4.14
4.15
Е =120 МПа, ϕ = 28°, С = 0,0025 МПа φст = 330
4.14
4.13
Е =32 МПа, ϕ = 13°, С = 0,003 МПа φст = 340
9. Расчет дорожной одежды
9.1. Расчет дорожной одежды по упругому прогибу
Общий модуль упругости дорожной одежды (с учетом того, что для расчета по упругому прогибу Кпр =1,2) определим по формуле
Еоб = Етрmin .Кпр= 238 .1,2=286 МПа.
Расчет ведем в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. П.1.1.
1. Находим отношения h1/Dд = 4/40=0,10 и Еоб/Е1 =286/3200=0,089, по
/
номограмме (см. рис.5.2) определяем отношение Е об/Е1 = 0,08, отсюда
Е/об = 3200⋅ 0,08=256 МПа.
/
2. Определяем отношения h2/Dд=8/40=0,20 и Е об/Е2 =256/2000=0,13, по
//
номограмме (см.рис.5.2) определяем отношение Е об/Е2 = 0,09, отсюда
Е//об = 2000⋅ 0,09=180 МПа.
//
3. Определяем отношения h3/Dд =12/40=0,30 и Е об/Е2 =180/600=0,3, по
///
номограмме (см. рис.5.2) определяем отношение Е об/Е2 = 0,21, отсюда
Е///об = 600⋅ 0,21=126 МПа.
131
h1=4 см
h2=8 см
h3=12 см
Е1=3200 МПа
Е2=2000 МПа
Е3=600 МПа
h4= ?см
Е4=400 МПа
h5=20 см
Е5=120 МПа
Еоб = 286 МПа
Е/об =256 МПа
Е//об =180 МПа
Е///об =126 МПа
ЕIVоб =52 МПа
Егр=32 МПа
Рис. П.1.1.Схема расчета дорожной одежды по упругому прогибу
IV
4. Для определения толщины четвертого слоя сначала находим Е об. Для
этого рассчитаем отношения Егр /Е5 =32/120=0,267 и h5 /Dд =20/40=0,50, по
IV
номограмме (см. рис.5.2) определим отношение Е об /Е5 =0,43, отсюда
ЕIVоб = 120⋅ 0,43=52 МПа.
///
5. Находим толщину четвертого слоя. Рассчитаем отношения Е об/Е4 =
IV
=126/400=0,315 и Е об/Е4 =52/400=0,13, по номограмме определим отношение
h4/Dд =0,65, отсюда h4=40⋅ 0,65=26 см.
hд.о.= h1+ h2+ h3+ h4+ h5 = 4+8+12+26+20 = 70 см
9.2. Расчет дорожной одежды на сдвиг в грунте земляного полотна
Расчет проводится в соответствии с расчетной схемой, представленной на
рис. П.1.2.
h1=4 см
h2=8 см
h3=12 см
Е1=1800 МПа
Е2=1200 МПа
h4=26 см
Е4=400 МПа
h5=20 см
Е5=120 МПа
Егр=32 МПа, ϕ = 13°,
С = 0,003 МПа
Е3=600 МПа
Еср
Рис.П.1.2. Схема расчета дорожной одежды на сдвиг
в грунте земляного полотна
132
1. Модуль упругости верхнего слоя расчетной модели, представленной на
рис. П.1.2, вычислим как средневзвешенный по формуле (5.12):
1800⋅ 4 +1200⋅ 8 + 600⋅12+ 400⋅ 26+120⋅ 20
= 526 МПа.
70
2. Вычислим отношения Еср /Егр= 526/32=16,44; ∑h/Dд = 70/40=1,75 и по
номограмме (рис.5.3) для ϕ=130 находим удельное напряжение сдвига
Eср =
τ н =0,015.
Активное напряжение сдвига определим по формуле (5.10):
Т = 0,015⋅0,6=0,009 МПа.
3. Предельное допустимое активное напряжение сдвига Тпр вычислим по
формуле (5.11). Для расчетов примем:
СN = 0,003 МПа; Kд =1,0; zоп =70 см; γср = 0,002 кг/см3; ϕст=34°.
Tпр = Кд (СN + 0,1γ ср ⋅ zon ⋅ tgϕст )= 1,0 (0,003 + 0,1⋅ 0,002 ⋅ 70 ⋅ 0,67)=0,012 МПа.
4. Находим отношение Тпр /Т =0,012/0,009=1,33, что больше Кпр по сдвигу (Кпр = 1,0). Следовательно, сдвигоустойчивость в грунте земляного полотна
обеспечена.
9.3. Расчет дорожной одежды на сдвиг в песчаном слое
Расчет производится в соответствии с расчетной схемой, представленной
на рис. П.1.3.
h1=4 см
h2=8 см
h3=12 см
h4=26 см
h5=20 см
Е1=1800 МПа
Е2=1200 МПа
Е3=600 МПа
Е4=400 МПа
Еср
Е
IV
об
=52,0 МПа
Е5=120, ϕ = 280,
С = 0,0025 МПа
Егр=32 МПа
Рис.П.1.3. Схема расчета дорожной одежды на сдвиг в песчаном слое
1. Вычислим толщину верхнего слоя:
∑h=4+8+12+26=50 см.
2. Определяем средний модуль упругости верхнего слоя:
1800 ⋅ 4 + 1200 ⋅ 8 + 600 ⋅ 12 + 400 ⋅ 26
E ср =
= 688 МПа.
50
133
IV
3. Вычислим отношения Еср /Е об =688/52=13,2 и ∑h/Dд=50/40=1,25. По
номограмме (см. рис.5.3) для ϕ =28° находим удельное напряжение сдвига:
τ н =0,022.
4. Полное активное напряжение сдвига равно:
Т = 0,022⋅0,6=0,0132 МПа.
5. Определим предельное активное напряжение сдвига Тпр по формуле
(5.11) при СN=0,0025, Kд =4,0 (для песка средней крупности), γср =0,002 кг/см3,
zоп =(h1+h2 +h3+h4)=50 см и ϕ ст=33°.
Тпр =4,0. (0,0025+0,1⋅ 0,002 ⋅ 50 ⋅0,65)=0,036 МПа.
6. Находим отношение Тпр/Т =0,036/0,0132=2,73, что больше Кпр =1,0.
Следовательно, условие сдвигоустойчивости в песчаном слое выполнено.
9.4. Расчет слоев асфальтобетона на растяжение при изгибе
Расчет ведем в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. П.1.4.
1. Вычислим Еср для слоев из асфальтобетона:
4500 ⋅ 4 + 2800 ⋅ 8
Eср =
= 3367.
12
II
2. Вычислим отношения Еср /Е об=3367/180=18,7 и ∑h/Dд=12/40=0,30.
По номограмме (см. рис.5.7) находим растягивающее напряжение от единичной
нагрузки
σ r = 2,5 МПа.
h1=4 см
h2=8 см
h3=12 см
Е1=4500 МПа
h4=26 см
Е4=400 МПа
h5=20 см
Е5=120МПа
Е2=2800 МПа
Е3=600 МПа
Еср ЕII =180 МПа
об
Егр=32 МПа
Рис. П.1.4. Схема расчета слоев асфальтобетона на растяжение при изгибе
3. Находим полное растягивающее напряжение по формуле (5.16):
σr = σ r .р.Kв= 2,5⋅0,6⋅0,85=1,275 МПа.
4. Вычислим предельное растягивающее напряжение по формуле (5.19),
принимая для расчета R0= 8,0 (см. табл. П.1.1); k2 =0,8 (см. табл.5.3); νR =0,1;
134
t =1,71 (см. табл. 4.9). Коэффициент k1 вычислим по формуле (5.20) для m
=4,3; α =5,9 (см.табл. П.1.1).
k1 =
α
m
∑N
=
p
4 ,3
5 ,9
413580
= 0 , 30 .
Предельное растягивающее напряжение в слое асфальтобетона равно:
RN = R0 ⋅ k1 ⋅ k 2 (1 − ν R ⋅ t ) = 8⋅0,30⋅0,8⋅(1⋅0,1⋅1,71)=1,59 МПа.
5. Вычислим отношение RN /σ r=1,59/1,275=1,25, что больше Кпр =1,0.
Следовательно, условие на сопротивление слоев асфальтобетона усталостному
разрушению от растяжения при изгибе выполнено.
10. Расчет конструкции дорожной одежды на статическое
воздействие нагрузки
При расчете на статическое воздействие нагрузки проверим запроектированную конструкцию дорожной одежды:
− на сопротивление сдвигу в грунте земляного полотна;
− на сопротивление сдвигу слоев асфальтобетона.
Исходные данные для расчета:
− расчетный диаметр следа колеса неподвижного автомобиля Dн = 35 см
(см. табл. 4.1);
− расчетные модули упругости плотного мелкозернистого асфальтобетона
Тип А при статическом воздействии нагрузки (см. табл.5.4):
при +20 ˚С Е1 = 480 МПа; при +50˚С Е1 = 300 МПа,
− то же для пористого крупнозернистого асфальтобетона
при +20 ˚С Е2 = 360 МПа; при +50˚С Е2 = 250 МПа,
− комплексный коэффициент для крупнозернистого асфальтобетона K =
1,6; сцепление в слое асфальтобетона Cаб = 0,30 (см. табл.5.5);
− модуль упругости грунта при действии статической нагрузки уменьшаем
на 15% и по табл. 4.13 и 4.14 находим:
Егр = 27,2 МПа; ϕст = 34°; C = 0,009.
для песка ϕст = 33°; C = 0,005 (см. табл. 4.15).
10.1. Расчет конструкции дорожной одежды на сопротивление сдвигу
в грунте земляного полотна
Расчет ведем в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис.
П.1.5.
1. Модуль упругости верхнего слоя в расчетной модели вычисляем как
средневзвешенный по формуле (5.12):
135
Eср =
480⋅ 4 + 360⋅ 8 + 600⋅12+ 400⋅ 26+120⋅ 20
= 354 МПа.
70
h1=4 см
h2=8 см
h3=12 см
Е1=480 МПа
Е2=360 МПа
h4=26 см
Е4=400 МПа
h5=20 см
Е5=120 МПа
Е3=600 МПа
Еср
Егр=27,2 МПа, ϕ = 34°,
С = 0,009 МПа
Рис.П.1.5. Схема расчета дорожной одежды на сдвиг в грунте земляного
полотна при статическом воздействии нагрузки
2. Определяем отношения Еср/Егр= 354/27,2=13,0; ∑h/Dн = 70/35=2,0 и
по номограмме (см. рис.5.3) для ϕ =340 находим удельное напряжение сдвига
τ н =0,008.
Активное напряжение сдвига вычислим по формуле (5.10):
τн = 0,008⋅0,6=0,0048 МПа.
3. Предельное допустимое активное напряжение сдвига Тпр вычислим по
формуле (5.11). Для расчетов примем:
СN = 0,009 МПа; Kд =1,0; zоп =70 см; γср = 0,002 кг/см3; ϕст=34°.
Tпр = К д (С N + 0,1γ ср ⋅ zon ⋅ tgϕ ст )= 1,0 (0,009 + 0,1⋅0,002 ⋅ 70 ⋅ 0,67)=0,018 МПа.
4. Находим отношение Тпр /Т =0,018/0,0048=3,75, что больше Кпр по
сдвигу (Кпр = 1,0). Следовательно, сдвигоустойчивость в грунте земляного полотна обеспечена.
10.2. Расчет конструкции дорожной одежды на сопротивление сдвигу
в песчаном слое
Расчет ведем в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. П.1.6.
1. Вычислим средний модуль упругости верхнего слоя:
480⋅ 4 + 360⋅ 8 + 600⋅12 + 400⋅ 26
Eср =
= 448 МПа.
50
IV
2. Вычислим Е об. Для этого находим отношения Егр/Е5 =27,2/120=0,23 и
h5/Dн =20/35=0,57, по номограмме (рис.5.2) находим отношение ЕIVоб/Е5 =0,43,
IV
отсюда Е об = 120⋅ 0,43=52 МПа.
136
h1=4 см
h2=8 см
h3=12 см
Е1=480 МПа
Е2=360 МПа
Е3=600 МПа
h4=26 см
Е4=400 МПа
h5=20 см
Е5=120МПа, ϕ =330,
С = 0,005 МПа
Еср
Е
IV
об
=52,0 МПа
Егр=27,2 МПа
Рис.П.1.6. Схема расчета дорожной одежды на сдвиг в песчаном слое
при статическом воздействии нагрузки
3. Вычислим отношения Еср/Егр=448/52=8,6; ∑h/Dн =50/35=1,43 и по номограмме (рис.5.3) для ϕ =330 находим удельное напряжение сдвига
τ н =0,012.
Активное напряжение сдвига определяем по формуле (5.10):
τн = 0,012⋅0,6=0,0072 МПа.
4. Определим предельное активное напряжение сдвига Тпр по формуле
(5.11) при СN=0,005, Kд =4,0 (для песка средней крупности); zоп =(h1+h2
+h3+h4)=50 см; γср = 0,002 кг/см3 и ϕ ст=33°:
Тпр =4,0. (0,005+0,1⋅ 0,002 ⋅ 50 ⋅0,649)=0,046 МПа.
6. Находим отношение Тпр/Т =0,046/0,0072=6,4, что больше Кпр =1,0.
Следовательно, условие сдвигоустойчивости в песчаном слое выполнено.
10.3. Расчет слоев асфальтобетона на сдвиг
Расчет ведем в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. П.1.7.
1. Вычислим средний модуль упругости верхнего слоя по формуле (5.23):
300⋅ 4 + 250⋅ 8
Eср.асф =
= 267 МПа.
12
2. Определим общий модуль упругости слоев, расположенных под асфальтобетоном, так как модуль упругости грунта уменьшили на 15% :
ЕIVоб/Е4 = 52/400 = 0,13, h4/Dн =26/35=0,74;
III
по номограмме (см. рис. 5.2) находим отношение Е об/Е4=0,32, тогда
ЕIIIоб = Е4⋅0,32 = 400⋅0,32 = 128 МПа.
Вычислим отношения
ЕIIIоб/Е3 = 128/600 = 0,21, h3/Dн =12/35=0,34;
II
по номограмме (см. рис. 5.2) находим отношение Е об/Е3 = 0,30, тогда
ЕIIоб = Е3⋅0,30 = 600⋅0,30 = 180 МПа.
137
h1=4 см
h2=8 см
h3=12 см
Е1=300 МПа
Е2=250 МПа
Е3=600 МПа
h4=26 см
Е4=400 МПа
h5=20 см
Е5=120 МПа
Еср
ЕIIоб =180 МПа
ЕIIIоб =128 МПа
ЕIVоб =52 МПа
Егр=27,2 МПа
Рис.П.1.7. Схема расчета дорожной одежды на сдвиг в слоях
асфальтобетона при статическом воздействии нагрузки
3. Находим полное напряжение сдвига T по номограмме (см. рис. 5.9).
Для этого вычислим:
Еср.асф / ЕIIоб = 267/180=1,48; ∑h/Dн = 12/35=0,34.
По номограмме τ н = 0,2, отсюда τн = 0,2⋅0,6 = 0,12 МПа.
4. Определим предельно допустимое активное напряжение сдвига в слое
крупнозернистого пористого асфальтобетона по формуле (5.24) и табл 5.5:
Тпр = K⋅Саб = 1,6⋅0,30 = 0,48 МПа.
5. Находим отношение Тпр/Т = 0,48/0,12 =4, что больше Кпр по сдвигу
(Кпр = 1,0). Следовательно, предельное равновесие по сдвигу в слое асфальтобетона не достигается.
11. Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость
Грунт земляного полотна – супесь пылеватая по существующей классификации (см. табл. 6.1 и 6.2) относится к IV группе грунтов по степени пучинистости, т.е. является сильнопучинистым грунтом. Таким образом, необходима
проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость.
1. Определим значение допускаемой величины морозного пучения по
данным табл.6.3: lдоп =4 см.
2. Средняя глубина промерзаний грунтов для Московской области zпр.ср.
составляет 140 см (см. рис. 6.1). Глубину промерзания грунта от поверхности
дорожной одежды рассчитаем по формуле (6.4):
zпр = zпр.(ср)⋅1,38=1,40⋅1,38=1,93 м.
3. Вычислим величину морозного пучения грунта земляного полотна lпуч
по формуле (6.2).
138
Для расчетов величину морозного пучения lпуч. с при осредненных условиях определим по графикам (см. рис. 6.4).
При толщине дорожной одежды 70 см и для IV группы грунта lпуч. ср=7см.
В соответствии с заданием расчетное расстояние от уровня грунтовых вод
до низа дорожной одежды составит
Hγ = 1,5 -0,7 +1,0 =1,80 м,
тогда по графику (см. рис. 6.2) KУГВ = 0,63.
Коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя
(см. табл. 6.4), Kпл = 0,8.
Коэффициент Kгр для супеси (см. табл.6.5), Kгр =1,1.
Коэффициент Kнагр, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса дорожной конструкции на грунт, определим по графику (см. рис.6.3), Kнагр
=0,93.
Для расчетной влажности грунта Wр=0,80; Kвл =1,2 (см.табл.6.6).
Тогда по формуле (6.2)
lпуч =7 ⋅ 0,63 ⋅ 0,8 ⋅ 1,1 ⋅ 0,93 ⋅ 1,2 = 4,3 см.
4. Сравним рассчитанное значение с допустимым lдоп = 4,0 см. Так как
lпуч > lдоп ,
то морозоустойчивость дорожной одежды не обеспечена.
12. Расчет толщины морозозащитного слоя
1. Определим требуемую толщину морозоустойчивой конструкции дорожной одежды.
Среднюю величину морозного пучения рассчитаем по формуле (6.5):
lпуч.ср =lдоп/КУГВ·Кпл·Кгр·Кнагр·Квл= 4/0,63·0,8·1,1·0,93·1,20= 6,5 см.
2. По графику (см. рис. 6.4) при IV группе грунта по степени пучинистости определим требуемую толщину дорожной одежды: hдо.необх= 76 см.
3. Толщину морозозащитного слоя hм.з. рассчитаем по формуле (6.6):
hмз= hдо.необх - hдо= 76 – 70 = 6 см.
В качестве морозозащитного слоя принимаем песок среднезернистый.
Для уточнения требуемой толщины морозозащитного слоя выполним
расчеты с учетом теплофизических характеристик отдельных слоев дорожной
конструкции.
4. По формуле (6.8) определим термическое сопротивление дорожной
одежды без морозозащитного слоя, принимая значения коэффициентов теплопроводности в соответствии с прил. 3 (см. табл. П.3.1).
Для песка средней крупности примем среднеарифметическое значение
коэффициента для талого и мерзлого состояния:
139
n
Rод ( о ) = ∑ hi / λi = 0,04/1,40 + 0,08/1,25 + 0,12/1,28 + 0,26/2,02 +
i =1
+ 0,20/[0,5⋅(1,91+2,44)] = 0,028 + 0,064 + 0,094 + 0,13 + 0,092 = 0,41 м2
⋅К/Вт.
5. По карте (см. рис.6.5) определим номер изолиний для Московской области – V и IV.
Значение коэффициента Спуч находим по таблице (см. табл. 6.9) интерполяцией; Спуч = 1,40.
При общей толщине дорожной одежды, необходимой для обеспечения
морозоустойчивости ( hдо.необх.= 76 см) для супеси пылеватой, по табл. 6.10, задаваясь допустимой глубиной промерзания грунта под дорожной одеждой
hпр(доп)>100 см, определим Ср = 0,61.
Вычислим отношение:
lдоп/(Спуч⋅Ср) = 4/(1,40·0,61) = 4,68 см.
По номограмме на рис.6.6 определим приведенное термическое сопротивление: Rпр = 0,5 м2 ⋅К/Вт.
По табл.6.7 при сроке службы 15 лет определяем: Код = 0,95; при II схеме
увлажнения принимаем Кувл = 1,0; для II2 дорожно-климатической зоны δ =
0,95.
Требуемое термическое сопротивление рассчитаем по формуле (6.9):
Rод(тр) = Rпр· Код · Кувл · δ = 0,5·0,95·1,0·0,95 = 0,45 м2 ⋅К/Вт.
6. Уточненная толщина морозозащитного слоя по формуле (6.7):
hмз = (Rод(тр) – Rод(о) ) λмз = (0,45 – 0,41)⋅2,175 = 0,087 м.
Так как разница между полученной толщиной морозозащитного слоя 8,7
см и ранее назначенной 6 см не превышает 5 см, принимаем hмз = 6 см.
Толщина дорожной одежды с учетом морозозащитного слоя hдо= 76 см.
13. Расчет толщины теплоизолирующего слоя
Расчет толщины теплоизолирующего слоя осуществляется так же, как и
морозозащитного. В расчет следует включать толщину дорожной одежды, необходимую по условиям обеспечения прочности и дренирования, а также значения показателя пучинистости грунта Спуч (см. табл.6.12).
Расчет произведем в следующей последовательности:
1. Термическое сопротивление дорожной одежды вычислено выше и составляет Rод(о) = 0,41 м2 ⋅К/Вт.
2. По табл.6.12 находим показатель пучинистости грунта: Спуч= 1,5 для
супеси пылеватой, относящейся к сильнопучинистым грунтам (см.табл.6.1, 6.2).
При толщине дорожной одежды 0,70 м расстояние от низа дорожной одежды до
УГВ Hγ составит 1,80 м (см. расчет выше).
140
3. Принимая допустимую глубину промерзания hпр(доп) >100 см, определим Ср = 0,61 (см. табл.6.11).
4. Находим lдоп/(Спуч⋅Ср) = 4/(1,5·0,61) = 4,37 см.
При Hγ =1,80 м по номограмме (см. рис.6.6) получаем hпр(доп) = 1,10 м,
Rпр = 0,61 м2⋅К/Вт.
Rод(тр) = 0,61·0,95·1,0·0,95 = 0,56 м2⋅К/Вт.
На графике (см. рис.6.7) при Rод(тр) = 0,56 м2⋅К/Вт и Rод(о) = 0,41 м2⋅К/Вт
прямые не пересекаются, следовательно, теплоизолирующий слой из пенопласта не требуется.
14. Расчет дренирующего слоя
Расчет произведем для запроектированной конструкции дорожной одежды для дороги II категории в Московской области. Высота насыпи 1,5 м, толщина дорожной одежды, включая морозозащитный слой, 76 см.
Толщина морозозащитного слоя из среднезернистого песка 0,26 см, коэффициент фильтрации Kф = 2,7 м/сут, пористость n = 0,34.
Схема увлажнения рабочего слоя – 2.
Грунт насыпи и естественного основания – супесь пылеватая.
Уклон дренирующего слоя i =0,04.
Рассчитаем толщину дренирующего слоя, работающего на осушение.
1. По исходным данным с помощью таблицы (см. табл.7.2) определим
удельный приток воды, поступающий в основание дорожной одежды, для II дорожно-климатической зоны при 2-й схеме увлажнения q = 4,5 л/(м2сут).
По табл.7.3 определим коэффициент “пик”: Kпк = 1,6 и коэффициент гидрологического запаса: Kг = 1,2.
Ввиду отсутствия переломов продольного профиля на рассматриваемом
участке, а также специальных мероприятий по уменьшению притока воды в
дренирующий слой примем Kвог = 1 и Kp = 1.
2. По формуле (7.4) расчетный приток воды в дренирующий слой составит
qp = (q ·Kпк · Kг· Kвог ·Kp)/1000 = (4,5·1,6·1,2·1·1)/1000 = 0,00864 м3/м2.
3. Для двухскатного профиля с шириной проезжей части для дороги II
категории B = 7,5 м по формуле (7.3):
q/ = 0,5 qp ·B = 0.00864· 7,5/2 = 0,0324 м3/м2.
/
Находим отношение q /Kф = 0,0324/2,7 = 0,012.
/
По номограмме (см. рис.7.4) для отношения q /Kф = 0,012 и поперечного
уклона дренирующего слоя i =0,04 находим отношение:
141
3,5 hнас/L = 0,15.
Путь фильтрации L для двухскатного поперечного профиля составляет
половину длины дренирующего слоя:
L= B/2 +a + δ,
где B – ширина проезжей части, м; a – ширина обочины, м; δ – средняя
длина участка, расположенная в откосной части земляного полотна, равная
сумме толщины дорожной одежды и половине толщины дренирующего слоя,
умноженной на коэффициент заложения откоса насыпи откоса.
L= 7,5/2 + 3,75 + (0,50 + 0,26/2)⋅1,5 = 8,45 м.
Таким образом, hнас = (L·0,15)/3,5 = (8,45·0,15)/3,5 = 0,36 м.
4. Толщину дополнительного слоя примем равной 0,15 м для песка средней крупности, тогда полная толщина дренирующего слоя по формуле (7.1):
hn = hнас + hзап = 0,36 + 0,15 = 0,51 м.
5. Произведем проверку на временное поглощение воды дренирующим
слоем по формуле (7.7), приняв для расчета Tзап = 6 суток, φзим = 0,40
(см.табл.7.5).
hn =( qp ·Tзап/n + 0,3hзап)/(1– φзим) = (0,00864·6/0,34+0,3·0,15)/(1-0,40) = 0,33 м.
Таким образом, hn = 0,33 м, что меньше hn = 0,51 м, следовательно, временное размещение воды в дренирующем слое обеспечено.
142
143
Рис.П.2. Карта дорожно-климатических зон и подзон
Дорожно-климатическое районирование
Приложение 2
Таблица П.2.1
Дорожно-климатические зоны и подзоны
Дорожноклиматическая зона и
подзона
I
I1
I2
I3
II
II1
II2
II3
II4
II5
II6
III
III1
III2
III3
IV
V
Примерные географические границы
Севернее линии Нивский–Сосновка–Новый Бор–Щельябож–Сыня–Суеватпуль–
Белоярский–Лаоьяк–Усть-Озерное–Ярцево–Канск–Выезжий
Лог–Усть–
Золотая–Сарыч–Сеп–Новоселово–Артыбаш–Иню–государственная
граница–
Симоново–Биробиджан–Болонь–Многовершинный. Включает зоны тундры,
лесотундры и северо-восточную часть лесной зоны с распространением вечномерзлых грунтов
Севернее линии Нарьян-Мар–Салехард–Курейка–Трубка «Удачная» –
Верхоянск– Дружина–Горный Мыс–Марково
Восточнее линии устье р. Нижняя Тунгуска–Ербогачен, Ленск–Бодайбо–Богдарин и севернее линии Могоча–Сковородино–Зая–Охотск–Палатка–Слаутсткое.
Ограничена с севера подзоной I1
От южной границы вечной мерзлоты до южной границы подзоны I2
От границы зоны I до линии Львов–Житомир–Тула–Нижний Новгород–
Ижевск– Томск–Канск. На Дальнем Востоке от границы зоны I до государственной границы. Включает зону лесов с избыточным увлажнением грунтов
С севера и востока ограничена зоной I, с запада – подзоной II3, с юга – линией
Рославль–Клин–Рыбинск–Березники–Ивдель
Ограничена с севера подзоной II1, с запада – подзоной II4, с юга –зоной III, с
востока и юга - границей зоны I
С севера ограничена государственной границей, с запада – границей с подзоной
II5, с юга – линией Рославль–Клин–Рыбинск, с востока – линией Псков–
Смоленск–Орел
С севера ограничена подзоной II3, с запада – подзоной II6, с юга – границей с
зоной III, с востока – линией Смоленск–Орел–Воронеж
С севера и запада ограничена государственной границей, с востока – линией
Минск–Бобруйск–Гомель, с юга - линией Барановичи–Рославль–Клин–Рыбинск
С севера ограничена подзоной II5, с запада – государственной границей, с юга –
границей с зоной III, с востока – линией Минск–Бобруйск–Гомель
От южной границы зоны II до линии Кишинев–Кировоград–Белгород–Самара–
Магнитогорск–Омск–Бийск–Туран. Включает лесостепную зону со значительным увлажнением грунтов в отдельные годы
С севера ограничена зоной II, с запада – подзоной III2, с юга –зоной IV, с востока –зоной I
С севера ограничена зоной II, с запада – подзоной III3, с юга – зоной IV, с востока – линией Смоленск–Орел–Воронеж
С севера ограничена зоной II, с запада – государственной границей, с юга – зоной IV, с востока – линией Бобруйск–Гомель–Харьков
От границы зоны III до линии Джульфа–Степанакерт–Кизляр–Волгоград и далее южнее на 200 км линии Уральск–Актюбинск–Караганда. Включает степную
зону с недостаточным увлажнением грунтов
К югу-западу и югу от границы зоны IV и включает пустынную и пустынностепную зоны с засушливым климатом и распространением засоленных грунтов
144
145
3
2
1
Тип местности
II
III
IV
Почвы слабо- и среднеподзолистые
или
дерново-подзолистые
без признаков заболачивания
Почвы серые лесные
слабоподзолистые, в северной части зоны темно-серые лесные и черноземы оподзоленные и
выщелоченные
Почвы средне- и сильноподзолистые или
полуболотные с признаками заболачивания
Почвы подзолистые или
полуболотные с признаками оглеения; в южной
части - луговочерноземные, солонцы и
солоди
Почвы тундровые и болотные, Торфяно-болотные или полуболотные почвы
торфяники: мощность сезонно
оттаивающего слоя до 1,0 м
при наличии глинистых сильно
просадочных грунтов с линзами льда толщиной более 10 см
Почвы - полуболотные или болотные,
солончаки и солончаковые солонцы
Почвы - солончаки
и солончаковые
солонцы; постоянно орошаемые территории
Грунтовые воды или длительно (более 30 сут.) стоящие поверхностные воды оказывают влияние на увлажнение верхней
толщи грунтов
Почвы тундровые с резко выраженными признаками заболачивания; мощность сезонно
оттаивающего слоя от 1,0 до
2,5 м при наличии глинистых
просадочных грунтов с влажностью более 0,8 Wт
Почвы в северной
части бурые, в
южной - светлобурые и сероземы
V
Грунтовые воды
влияют на увлажПочвы – сильносонение верхней
лонцеватые чернозе- толщи грунтов;
мы, каштановые, со- почвы – солонцы,
лонцы и солоди
такыры, солончаковые солонцы и
реже - солончаки
Почвы–черноземы
тучные или мощные,
в южной части зоны
– южные черноземы,
темнокаштановые и
каштановые почвы
Поверхностный сток не обеспечен; грунтовые воды не влияют на увлажнение верхней толщи грунтов
Мощность деятельного слоя
более 2,5 м при непросадочных
грунтах с влажностью менее
0,7 Wт (Wт - влажность при
границе текучести)
Поверхностный сток обеспечен; грунтовые воды не влияют на увлажнение верхней толщи грунтов
I
Признаки в зависимости от дорожно-климатических зон
Классификация типов местности по условиям увлажнения
Таблица П.2.2
При работе с данными табл. П.2.2 необходимо учитывать следующее.
1. К I типу, независимо от наличия поверхностного стока (при отсутствии
длительного подтопления), относят также участки, где залегают песчаногравийные или песчаные грунты (кроме мелких пылеватых песков) мощностью
более 5 м при расположении уровня грунтовых вод на глубине более 3 м во II –
III дорожно-климатических зонах и более 2 м в IV – V зонах.
2. Грунтовые воды не оказывают влияния на увлажнение верхней толщи
грунтов, если в предморозный период их уровень залегает ниже глубины промерзания не менее чем на:
- 2,0 м при глинах, суглинках тяжелых пылеватых и тяжелых,
- 1,5 м при суглинках легких пылеватых и легких, супесях тяжелых пылеватых и пылеватых,
- 1,0 м при супесях легких, легких крупных и песках пылеватых.
3. Поверхностный сток считается обеспеченным при уклонах поверхности грунта более 20 ‰ в пределах полосы отвода.
Таблица П.2.3
Расчетные схемы увлажнения верхней части земляного полотна
Номер схемы
и источники
увлажнения
рабочего слоя
1
Атмосферные
осадки
Условия отнесения к данному типу
Насыпь на участках местности 1-го типа по условиям увлажнения,
а также 2-го и 3-го типов при возвышении поверхности покрытия
над расчетным уровнем грунтовых вод или над поверхностью земли, более чем в 1,5 раза превышающем требования (см. табл. П.2.4)
На участках 2-го типа при расстоянии от уреза поверхностной воды
(отсутствующей не менее 2-3 - летнего периода):
- более 5-10 м - для супесей,
- 2-5 м – для легких пылеватых суглинков,
- 2 м – для тяжелых пылеватых суглинков и глин
(меньшие значения следует принимать для грунтов с большим числом пластичности, при залегании различных грунтов принимать
наибольшие значения).
Выемки в песчаных и глинистых грунтах при уклоне кюветов более 20 ‰ (в I-III дорожно-климатических зонах) и при возвышении
поверхности покрытия над расчетным уровнем грунтовых вод, более чем в 1,5 раза превышающим требования (см. табл. П.2.4).
Применение специальных методов регулирования водно-теплового
режима (капилляропрерывающие, гидро- и теплоизолирующие, армирующие прослойки, дренаж и т.п.), назначаемых по расчетам.
146
Окончание табл. П.2.3
Номер схемы
и источники
увлажнения
рабочего слоя
2
Кратковременно стоящие
(до 30 сут.)
поверхностные воды;
атмосферные
осадки
Условия отнесения к данному типу
Насыпь на участках 2-го типа при возвышении поверхности покрытия не ниже требуемых значений (см. табл. П.2.4) и не более
чем в 2 раза превышающем их при крутизне откосов земляного полотна не менее 1:1,5 и простом (без берм) поперечном профиле насыпи.
На участках 3-го типа при применении специальных мероприятий
по защите от грунтовых вод (капилляропрерывающие и гидроизолируюшие слои, дренаж), назначенных специальным расчетом при
выполнении условий предыдущего абзаца.
Выемки в песчаных и глинистых грунтах при уклоне кюветов менее 20‰ (в I-III дорожно-климатических зонах) и при возвышении
поверхности покрытия над расчетным уровнем грунтовых вод, более чем в 1,5 раза превышающем требования (см. табл. П.2.4).
3
Насыпь на участках 3-го типа местности по условиям увлажнения
Подземные
при возвышении поверхности покрытия, отвечающем требованиям
или длительно табл. П.2.4, но не превышающем их более чем в 1,5 раза.
(более 30 сут.) То же для выемок, в основании которых уровень грунтовых вод
стоящие порасположен по глубине, не превышающей требования табл. П.2.4
более чем в 1,5 раза
верхностные
воды;
атмосферные
осадки
Таблица П.2.4
Наименьшее возвышение поверхности покрытия в зависимости от дорожноклиматической зоны и грунта земляного полотна
Наименьшее возвышение поверхности
покрытия, м, в дорожно-климатических зонах
II
III
IV
V
Песок мелкий, супесь легкая крупная и
1,1
0,9
0,75
0,5
легкая
0,9
0,7
0,55
0,3
Песок пылеватый, супесь пылеватая
1,5
1,2
1,1
0,8
1,2
1,0
0,8
0,5
Суглинки легкий и тяжелый, глины
2,2
1,8
1,5
1,1
1,6
1,4
1,1
0,8
Супесь тяжелая пылеватая, суглинки лег2,4
2,1
1,8
1,2
кий пылеватый и тяжелый пылеватый
1,8
1,5
1,3
0,8
Примечание. Над чертой – возвышение поверхности покрытия над уровнем грунтовых вод,
верховодки или длительно (более 30 сут) стоящих поверхностных вод, под чертой – то же,
над поверхностью земли на участках с необеспеченным поверхностным стоком или над
уровнем кратковременно (менее 30 сут) стоящих поверхностных вод.
Грунт рабочего слоя
147
Приложение 3
Теплофизические характеристики дорожно-строительных материалов
Таблица П.3
Материал, грунт
Асфальтобетон горячий плотный
То же, пористый
То же, высокопористый, в том числе битумопесчаная смесь
(ТУ 218 РСФСР)
Аглопоритовый щебень, обработанный вязким битумом
Керамзитовый гравий, обработанный вязким битумом
Гравий (щебень) с легкими заполнителями, обработанные
вязким битумом
Супесь, укрепленная 10 -процентной эмульсией
Цементобетон
Песок разномерный, укрепленный 10% цемента
Песок мелкий, одномерный, укрепленный 10% цемента
Цементогрунт с керамзитом:
песок – 75% (массы), керамзит – 25%, цемент – 5%
Цементогрунт с гранулами полистирола:
песок – 97-98%, гранулы полистирола – 3-2%, цемент – 5%
Битумоцементогрунт с перлитом, состава:
перлитовый щебень – 25-20%, песок – 75-80%, цемент – 34%, битум – 12-10% (от массы песка, перлита и цемента)
Цементогрунт с аглопоритом, состава:
супесь или песок – 70-80%, аглопорит – 3-2%, цемент – 6%
Шлакобетон
Керамзитобетон
Стиропорбетон
Слабопрочные известняки, укрепленные известью
Суглинок, укрепленный 6-12% цемента
Суглинок, укрепленный 2-5% цемента и 2-6% известью
Супесь, укрепленная 8-10% цемента
Пенопласт
Пеноплэкс
Каменноугольная золошлаковая смесь, укрепленная 6-8%
цемента
Шлак топочный
Щебень из гранита
Щебень из известняка
Гравий
Песок крупный талый
То же, мерзлый
Песок средней крупности талый
То же мерзлый
Песок мелкий талый
То же мерзлый
148
Плотность
ρ, кг/м3
Коэффициент теплопроводности λ,
Вт/(м⋅К)
2400
2300
1,40
1,25
2200-1900
800
1100
1,10-1,00
0,23
0,64
2000
0,52
1700-1900
2400
2100
2100
1,456
1,74
1,86
1,62
1500-1600
1300-1500
0,41-0,58
1400
0,52-0,58
1700-1800
0,64-0,75
1600
1400
1000-1100
2000
1750-1900
1800-1900
1700-1900
38,5-60
38,5-50
0,58
0,75
0,23
1,16
1,45
1,33
1,51
0,03-0,052
0,03-0,032
1600
0,7
800
1800
1600
1800
2000
2000
1950
1950
1850
1850
0,46
1,86
1,39
1,86
1,74
2,32
1,91
2,44
1,91
2,32
Окончание табл. П.3
Материал, грунт
Плотность
ρ, кг/м3
Коэффициент теплопроводности λ,
Вт/(м⋅К)
Песок пылеватый талый
То же мерзлый
Супесь талая
То же мерзлая
Суглинок и глина талые
То же мерзлые
Лессы талые
То же мерзлые
Одномерный гранитный щебень, обработанный вязким битумом
Гравийно-песчаная смесь
Гравийно-песчаная смесь, укрепленная 10% цемента
1750
1750
2100
2100
2000
2000
1500
1500
1,80
2,20
1,80
2,03
1,62
1,97
1,51
2,09
1850
1,28
200
2000
2,10
2,02
Приложение 4
Нагрузки, передаваемые на дорожные покрытия автомобилями
Таблица П.4
Марка
транспортного средства
Грузоподъем
емность,
т
Нагрузка на покрытие от переднего
колеса, кН
неподдвивижного
жущегося
Нагрузка на покрытие от заднего колеса, кН
неподдвивижного
жущегося
Расстояние
между осями
задней тележки трехосного
автомобиля,
м
Среднее
удельное давление от заднего колеса
на покрытие,
МПа
19,5
36,3
35,8
35,8
45,2
29,5
58,5
58,5
65,0
51,4
84,5
65,0
35,5
46,2
1,40
1,40
1,4
1,40
1,46
1,38
1,32
1,40
0,27
0,53
0,35
0,36
0,60
0,32
0,50
0,55
0,65
0,60
0,60
0,60
0,45
0,35
35,6
35,5
1,32
1,40
0,45
0,36
КамАЗ-5320
КрАЗ-255Б
1,00
4,00
8,00
7,50
5,00
5,00
12,0
14,50
8,00
6,00
11,50
16,60
8,00
7,50
КамАЗ-5410
Урал-377СН
8,10
7,50
Грузовые автомобили
12,0
15,6
15,0
9,0
11,8
28,0
20,9
27,1
27,5
20,0
26,0
27,5
12,9
16,7
34,8
21,8
28,3
22,7
23,0
29,9
45,0
28,5
37,0
45,0
24,1
31,4
50,0
13,1
17,1
39,5
30,0
39,0
65,0
30,0
39,0
50,0
21,9
28,5
27,3
27,2
35,4
35,6
Седельные тягачи
20,8
27,1
27,4
18,2
23,7
27,3
МАЗ-504А
(Шкода-706RTTN)
7,75
21,9
28,4
50,0
65,0
-
0,65
КАЗ-608Б
Урал-375С-К1
ЗИЛ-157КВ
КрАЗ-255В
4,50
5,50
4,35
8,00
14,0
20,2
14,7
27,4
18,2
26,3
19,1
35,6
29,6
22,7
18,2
33,4
38,5
29,5
23,6
43,4
1,40
1,12
1,40
0,60
0,32
0,35
0,35
УАЗ-451
ГАЗ-53А
ЗИЛ-133Г1
Урал-377Н
ЗИЛ-130
Урал-4320
КрАЗ-257Б1
МАЗ-516Б
МАЗ-500А
ЗИЛ-130-76
Магирус-232Д19L
Магирус-290Д26L
149
Окончание табл П.4.
ЗИЛ-131В
КрАЗ-258Б1
Мерседес Бенц
Вольво F89-32(6x2)
Вольво F89-32(6x4)
5,00
12,0
14,00
14,50
13,85
ГАЗ-САЗ-53Б
ЗИЛ-ММЗ-554
КамАЗ-5511
МАЗ-503А
КрАЗ-256Б1
Магирус290Д26К
Татра 138S1
Татра 148S1
3,50
4,00
10,00
8,00
12,00
14,50
БелАЗ-540А
БелАЗ-548А
БелАЗ-549
27,00
40,00
80,00
ГКБ-817
МАЗ-8926
ГКБ-8350
5,50
8,00
8,00
ОдАЗ-9370
КАЗ-717
МАЗ-5245
14,20
11,50
13,50
ПАЗ-3201
ЛАЗ-695Н
ЛАЗ-699Н
ЛАЗ-4202
ЛиАЗ-677
Икарус-250
Икарус-255
Икарус-280
Икарус-260
ЗИУ-9В
ЗИУ-682В
Шкода-9ТР
12,70
15,00
17,8
23,1
20,3
22,1
28,7
43,7
30,0
39,0
40,0
32,5
42,2
41,2
32,5
42,2
50,0
Автомобили-самосвалы
9,0
11,7
28,0
13,9
18,1
32,5
22,4
29,1
36,1
26,2
34,1
50,0
22,6
29,4
47,1
30,0
39,0
50,0
26,4
56,8
52,0
53,6
65,0
1,25
1,40
1,35
1,32
1,37
0,30
0,50
0,50
0,45
0,45
36,4
42,2
47,0
65,0
61,3
65,0
1,32
1,40
1,38
0,53
0,60
0,45
0,65
0,50
0,60
24,5
31,9
44,1
57,3
30,0
39,0
50,0
65,0
Внедорожные автомобили
78,0
101,4
162,0
210,6
116,0
150,8
228,0
296,4
238,4
309,9
503,2
654,2
Прицепы общего назначения
20,1
26,1
20,1
26,1
30,0
39,0
30,0
39,0
14,4
18,7
14,4
18,7
Полуприцепы общего назначения
27,5
35,8
27,5
35,8
50,0
65,0
Автобусы
13,2
17,2
22,6
29,4
19,9
25,9
37,2
48,4
23,4
30,4
39,8
51,7
20,5
26,7
46,5
60,5
28,7
37,3
41,6
54,1
28,0
36,4
47,9
62,3
27,8
36,1
46,5
60,4
45,2
58,8
27,2
35,4
29,4
38,2
28,2
36,7
43,4
59,0
Троллейбусы
31,4
40,6
51,8
67,4
30,4
39,6
54,4
70,7
30,0
39,0
50,0
65,0
1,32
1,32
0,60
0,60
-
0,50
0,56
0,56
-
0,60
0,55
0,38
1,32
1,37
-
0,36
0,30
0,48
-
0,30
0,50
0,50
0,75
0,675
0,650
0,600
0,650
0,775
0,650
-
0,66
0,66
0,80
-
Примечания: 1. Нагрузка на заднюю ось порожнего транспортного средства в среднем составляет для грузовых автомобилей и самосвалов 0,38, для троллейбусов и автобусов 0,58 от нагрузки на заднюю ось груженого транспортного средства.
2. В связи с тем, что автобусы Икарус-280 имеют три оси (моста), расположенные на расстояниях между собой более 2 м, в числителе приведены нагрузки от второй оси, а
в знаменателе от третьей.
150
Приложение 5
Коэффициенты приведения осевых нагрузок к расчетной при проектировании усиления нежестких дорожных одежд
Таблица П.5.1
Коэффициент приведения αj в зависимости от типа дорожной одежды
усовершенствован- усовершенствован- переходный
ный капитальный
ный облегченный
и низший
Грузовые бортовые автомобили
ГАЗ-52-03
0,02
0,06
0,16
ГАЗ-52-04
0,04
0,13
ГАЗ-53 А
0,08
0,19
0,35
ГАЗ-3307; -5312; -3309
0,10
0,23
0,40
ГАЗ-66-01; -66-02
0,06
0,18
ЗИЛ-130
0,21
0,54
0,55
ЗИЛ-130-76; -130 Г-76
0,35
0,52
0,70
ЗИЛ-131
0,16
0,40
0,58
ЗИЛ-131 Н
0,08
0,25
0,44
ЗИЛ-133 Г1
0,44
0,75
0,94
ЗИЛ-133 Г2; -133 Г4;-133 ГЯ
1,04
1,34
1,32
ЗИЛ-153 КД
0,04
0,14
0,30
ЗИЛ-431410; -431510;
0,35
0,52
0,70
-431610; -431810
ЗИЛ-432720
0,15
0,31
0,54
ЗИЛ-432900; -432910
0,37
0,54
0,73
ЗИЛ-433100; -433102;
0,39
0,57
0,80
-433104; -433110; -433300;
-433302;-433360; -433510
ЗИЛ-433410; -433420;-433422
0,10
0,28
0,50
КамАЗ-4310; -43101
0,33
0,64
0,86
КамАЗ-43105; -43106;-43114
0,43
0,78
1,01
КамАЗ-4325
0,45
0,64
0,88
КамАЗ-4326; -43261
0,18
0,40
0,67
КамАЗ-4925
0,79
1,00
1,21
КамАЗ-5315
1,10
1,22
1,36
КамАЗ-5320; -53202; -53208
0,57
0,90
1,07
КамАЗ-53213
1,29
1,53
1,46
КамАЗ-53211; -53212; -53218
1,63
1,81
1,62
КамАЗ-53229-40
4,10
3,42
2,52
КамАЗ-5325
1,08
1,46
1,50
КрАЗ-255 Б1
1,27
1,56
1,51
КрАЗ-257 Б1
3,59
3,05
2,24
КрАЗ-260-010; -260 Г-01
1,74
1,96
1,83
КрАЗ-5131 BE
0,88
1,11
1,36
КрАЗ-5131 НЕ
0,59
0,87
1,16
КрАЗ-5133 В2
2,00
1,83
1,75
КрАЗ-6322-016; -63221-016;
1,96
2,14
1,89
-6322-150
Марка транспортного средства
151
Окончание табл. П.5.1
Коэффициент приведения αj в зависимости от типа дорожной одежды
усовершенствован- усовершенствован- переходный
ный капитальный
ный облегченный
и низший
КрАЗ-64374
6,58
4,77
3,12
КрАЗ-65053-040;-65053-40; -650538,90
5,70
3,40
300
КрАЗ-65101-100
5,82
4,32
2,86
Седельные тягачи
ЗИЛ-130 В1-76;-441610; -442160
0,37
0,53
0,70
ЗИЛ-131 В
0,28
0,36
0,57
ЗИЛ-131 НВ
0,06
0,29
0,42
ЗИЛ-В 43318
0,44
0,61
0,83
ЗИЛ-433186; -442100
0,37
0,54
0,79
ЗИЛ-В 44218
0,37
0,55
0,65
ЗИЛ-В 44231
0,42
0,59
0,79
ЗИЛ-443110
0,10
0,28
0,50
ЗИЛ-541600
0,82
1,12
1,20
КамАЗ-4425
0,45
0,64
0,88
КамАЗ-54112; -54118
1,63
1,81
1,62
КамАЗ-5425 МА
3,27
2,42
2,05
КамАЗ-5410
0,50
0,80
0,95
КамАЗ-63229
4,10
3,42
2,52
КамАЗ-5415
1,10
1,22
1,36
КрАЗ-64431-82; -643701; -643721
7,56
5,22
3,14
КрАЗ-6444
3,63
3,13
2,34
КрАЗ-6446
1,86
2,04
1,80
КрАЗ-255 Б1
0,99
1,34
1,39
КрАЗ-260 В-010
1,61
1,87
1,73
КрАЗ-258 Б1
2,95
2,68
2,03
КрАЗ-6443
8,90
5,70
3,40
КрАЗ-5444
1,90
1,64
1,57
КрАЗ-64371
2,81
2,69
2,13
Марка транспортного средства
Таблица П.5.2
Коэффициент, учитывающий сопротивление конструктивных слоев дорожных одежд сдвигу и изгибу Кси
ДКЗ Код характери- Код грунта Приведенная, фактическая, суточная интенсивность до(рис. стик конструктив- земляного
рожного движения по одной полосе, ед./cyт
П.2)
ных слоев
полотна более 5000-3000 3000-1000 10005002505000
500
250
100
II
1
А
1,77
1,58
1,68
В
1,77
1,58
1,68
2
А
1,47
1,34
1,40
1,27
1,49
1,76
В
1,47
1,34
1,09
1,16
1,35
1,60
3
А
1,16
1,35
1,60
В
1,04
1,22
1,44
152
Окончание табл. П.5.2
ДКЗ Код характери- Код грунта Приведенная, фактическая, суточная интенсивность до(Рис. стик конструктив- земляного
рожного движения по одной полосе, ед./cyт
П.2)
ных слоев
полотна более 5000-3000 3000-1000 10005002505000
500
250
100
II
4
А
1,69
1,58
1,40
В
1,69
1,58
1,40
5
А
1,17
1,37
1,62
В
1,04
1,22
1,44
III
1
А
1,55
1,5
1,59
В
1,55
1,46
1,54
2
А
1,29
1,34
1,45
1,33
1,55
1,84
В
1,29
1,34
1,34
1,27
1,48
1,76
3
А
1,16
1,35
1,60
В
1,10
1,28
1,52
4
А
1,54
1,46
1,24
В
1,54
1,46
1,24
5
А
1,17
1,37
1,62
В
1,08
1,27
1,50
IV
1
А
1,33
1,42
1,50
В
1,33
1,34
1,40
2
А
1,11
1,34
1,50
1,39
1,62
1,92
В
1,11
1,34
1,59
1,39
1,62
1,92
3
А
1,16
1,35
1,60
В
1,16
1,35
1,60
4
А
1,40
1,34
1,09
В
1,40
1,34
1,09
5
А
1,17
1,37
1,62
В
1,13
1,32
1,56
Таблица П.5.3
Коды характеристик конструктивных слоев
Код характеристик
конструктивных слоев
1
2
3
4
5
Покрытие
Основание
Асфальтобетон Н ≥ 15 см
Асфальтобетон 15см > Н ≥ 10см
Асфальтобетон Н < 10 см
Асфальтобетон Н < 10 см
Черный щебень
Щебень
Щебень
Щебень
Укрепленный щебень
Щебень
Таблица П.5.4
Коды грунта земляного полотна
Код грунта земполотна
А
В
Тип грунта земляного полотна
Супесь легкая; песок
Суглинок легкий, пылеватый; суглинок легкий и тяжелый; супесь
пылеватая; супесь тяжелая пылеватая; глина
153
Оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. История развития теории расчета нежестких дорожных одежд . . . . . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Общие сведения о нежестких дорожных одеждах . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Классификация дорожных одежд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .
2.2. Конструктивные слои нежесткой дорожной одежды . . . . . . . . . .. . .
2.3. Требования к дорожной одежде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .
2.4. Силы, действующие на дорожную одежду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Процессы, происходящие в дорожной одежде под нагрузкой,
предельные состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Работа дорожной одежды и грунта земляного полотна
под действием нагрузки от автомобиля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7. Критерии прочности нежесткой дорожной одежды . . . . . . . . . . . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Конструирование нежесткой дорожной одежды . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Задачи конструирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .
3.2. Принципы конструирования нежестких дорожных одежд . . . . . . . .
3.3. Конструирование покрытий и оснований капитальных дорожных
одежд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Конструирование покрытий и оснований облегченных и
переходных дорожных одежд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Основы теории расчета нежестких дорожных одежд.
Расчетные характеристики дорожно-строительных материалов. . . . . . .
4.1. Расчетные нагрузки и расчетные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Расчетные модели и схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Проектирование нежестких дорожных одежд с учетом теории
надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Определение расчетных характеристик рабочего слоя грунта
земляного полотна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
4.5. Расчетные характеристики материалов конструктивных слоев . . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Расчет нежестких дорожных одежд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1. Установление категории дороги и выбор расчетных параметров . .
5.2. Определение минимального требуемого модуля упругости
конструкции дорожной одежды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Расчет дорожной одежды на прочность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1. Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу
5.3.2. Расчет по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и слабосвязных конструктивных слоев . . . . . . . . . . . . . .
154
3
4
8
9
9
11
13
15
17
20
23
23
25
25
26
31
33
34
35
35
43
47
49
57
64
65
65
66
67
67
68
6.
7.
8.
9.
5.3.2.1. Расчет дорожной одежды на сдвиг в грунте земляного
полотна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2.2. Расчет промежуточных слоев из слабосвязных
материалов на сдвиг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3. Расчет монолитных слоев на сопротивление усталостному
разрушению от растяжения при изгибе . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Расчет дорожной одежды на статическое воздействие нагрузки . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Проверка конструкции дорожной одежды на морозоустойчивость . . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Проектирование устройств по осушению дорожных одежд и земляного полотна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Усиление нежестких дорожных одежд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1. Проектирование усиления дорожных одежд при капитальном
ремонте и реконструкции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2. Назначение требуемой прочности для усиления
нежестких дорожных одежд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3. Особенности конструирования и расчета слоев усиления
дорожной одежды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Автоматизация расчетов при проектировании нежестких дорожных
одежд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приложение 1. Пример расчета дорожной одежды. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приложение 2. Дорожно-климатическое районирование. . . . . . . . . . . . .
Приложение 3. Теплофизические характеристики дорожностроительных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приложение 4. Нагрузки, передаваемые на дорожные покрытия
автомобилями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приложение 5. Коэффициенты приведения осевых нагрузок к расчетной при проектировании усиления нежестких дорожных одежд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155
73
74
75
78
81
83
96
97
106
107
107
109
112
118
119
122
123
123
127
143
148
149
151
Учебное издание
Гладышева Инна Алексеевна
Самодурова Татьяна Васильевна
Еремин Андрей Владимирович
Гладышева Ольга Вадимовна
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
Учебное пособие
для студентов, обучающихся по направлению 653600 «Транспортное строительство»
Подписано в печать 21.01.2010 г. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 9,8.
Усл.-печ. л. 9,9. Бумага писчая. Тираж 300 экз. Заказ № _____
_______________________________________________________________________________
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского
государственного архитектурно-строительного университета
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
78
Размер файла
4 954 Кб
Теги
одежда, дорожные, 367, проектирование, нежестких
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа