close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Заложных В. М. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Воронежская государственная лесотехническая академия
КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ
ОДЕЖД
Методические указания к лабораторным и практическим занятиям для
студентов специальностей 260100 и 240400
ВОРОНЕЖ 2003
УДК 625.855
Заложных В.М. Конструирование и расчет нежестких дорожных
одежд: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям
для студентов специальностей 260100 и 240400: /В.М.Заложных.–Воронеж:
ВГЛТА, 2003.–
с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТА
Рецензент: гл. инженер ОАО «Магистраль» Е.В.Токарев
Научный редактор д-р техн.наук, проф.
В.К.Курьянов
Оглавление
Предисловие………………...………………………………………….….3
1 Конструирование дорожной одежды…………….…………………...3
2 Расчет дорожных одежд на прочность……………………….………9
2.1 Основные положения…………….…………………………….…….9
2.2 Расчет дорожных одежд по допускаемому упругому прогибу..…11
2.3 Расчет дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости
подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев..…25
2.4 Расчет усовершенствованных дорожных одежд на
сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению
от растяжения при изгибе……………….………………………….31
3 Проверка дорожной конструкции на морозостойкость..………...36
4 Пример расчета нежесткой дорожной одежды переходного
типа………………………………………………………………………49
4.1 Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу…50
4.2 Расчет дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости
в подстилающем грунте земляного полотна……...…...………….51
4.3 Расчет дорожной конструкции по условию сдвигоустойчивости
в песчаном слое…………………….…………………………….…53
4.4 Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость..……..54
5 Пример расчета нежесткой дорожной одежды капитального
типа...........................................................................................................54
5.1 Расчет дорожной одежды по допустимому упругому прогибу.....54
5.2 Расчет дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости в
грунте земляного полотна…………...………………………...……56
5.3 Расчет дорожной конструкции на сопротивление монолитных
слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе…….57
5.4 Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость……....58
Приложение А………………..…………………………………….……61
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основным видом транспорта в лесной промышленности является автомобильный, им вывозится около 88 % объема древесины. Наиболее ответственным элементом автомобильной дороги является дорожная одежда, от качественного состояния которой зависит ритмичность производственной деятельности предприятия и эксплуатационные показатели работы дороги. Кроме того, дорожная одежда является наиболее дорогим элементом. Доля затрат на ее сооружение составляет 40…50 % и более общей стоимости постройки дороги. В зависимости от грузооборота согласно СниПу 2.05.07-91
могут применяться все типы дорожных одежд – от капитальных до низших.
Конструирование и расчет дорожных одежд производятся согласно отраслевым дорожным нормам ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких
дорожных одежд», введенным с 1 января 2001 года. Следует отметить, что по
новой методике расчета существенно повышены требования к надежности
дорожной одежды на весь заданный срок ее службы, что позволит повысить
эксплуатационные качества, но и удорожает стоимость строительства. Это
обстоятельство повышает ответственность проектировщиков за обеспечение
наиболее оптимальной конструкции дорожной одежды в зависимости от грузооборота дороги, природно-климатических и грунтово-гидрологических условий района строительства дороги.
1 Конструирование дорожной одежды
Дорожной одеждой называют один или несколько конструктивных
слоев, укладываемых на заранее подготовленное земляное полотно для создания прочной и ровной поверхности. Дорожную одежду устраивают из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию колес движущегося
транспорта и влиянию климатических факторов.
В зависимости от числа слоев дорожные одежды разделяют на однослойные и многослойные. В многослойных дорожных одеждах различают
покрытие и слои основания. Верхний слой – покрытие–непосредственно воспринимает воздействие движущегося транспорта и обеспечивает необходимые эксплуатационные качества дороги.
Для увеличения сопротивления изнашиванию, а также улучшения сцепления шин с дорогой на поверхности покрытия иногда устраивают слои поверхностной обработки из мелкого щебня, обработанного вяжущими материалами.
Для повышения прочности покрытий из слабых каменных материалов
поверх них устраивают тонкий слой износа.
Расположенный ниже покрытия слой дорожной одежды –основание–
является основным конструктивным слоем дорожной одежды, обеспечивающим ее прочность и устойчивость. Оно может устраиваться из одного или
нескольких слоев.
Ниже основных слоев основания в ряде случаев укладывают дополнительный (подстилающий) слой основания из песка и других местных зернистых материалов, служащий для дренажа одежды и повышения ее прочности
и морозоустойчивости.
Роль слоев в основном сводится к распределению давления колес на
большую площадь подстилающего грунта с целью снижения передающихся
на него удельных нагрузок.
Все типы дорожных одежд по условиям их работы при действии нагрузок делят на две группы : жесткие и нежесткие. К жестким относятся одежды
с покрытием из цементобетона, железобетонных плит и с деревянными колесопроводами, к нежестким – все остальные виды дорожных одежд.
Дорожные одежды обычно классифицируют по типу покрытия, которое должно обеспечивать основные эксплуатационные требования, предъявляемые к дороге.
В зависимости от их капитальности и степени обеспечения требований
автомобильного движения дорожные одежды делят на капитальные, облегченные, переходные и низшие.
Для лесовозных дорог с расчетным объемом перевозок до 500 тыс.
3
м /год рекомендуется предусматривать переходные и низшие типы дорожных одежд из местных каменных материалов, минеральных отходов промышленности или из укрепленных различными способами грунтов.
Низшие типы дорожных одежд для дорог IV-в категории устраивают из
выровненного скального или крупнообломочного грунта; из грунтов, укрепленных или улучшенных различными скелетными добавками (щебнем, гравием, дресвой, шлаком, горелыми породами и другими местными материалами); из местных каменных материалов; из грунтов, укрепленных местными вяжущими материалами (гранулированным доменным шлаком, активными золами уноса и др); с применением дерева (лежневые, бревенчатые
сплошные и колейные).
Переходные типы дорожных одежд для III –в и IV-в категорий следует
проектировать из прочного фракционированного щебня, укладываемого по
способу заклинки; из подобранного щебеночного и гравийного материалов;
шлаков требуемой прочности; из малопрочных каменных материалов и грунтов, укрепленных органическими, неорганическими или комплексными вяжущими.
К малопрочным материалам относятся щебень, гравий, щебеночногравийно-песчаные смеси и другие материалы, в которых содержится или
может образоваться в процессе строительства или эксплуатации избыточное
по сравнению с действующими нормами частиц размером менее 0,63 мм с
числом их пластичности до 7.
Для покрытий, устраиваемых по способу заклинки применяют фракционированный щебень из естественных горных пород, горнорудных отходов и малоактивных металлургических шлаков, отвечающих требованиям
действующих ГОСТов.
Дорожные одежды облегченного типа с усовершенствованными покрытиями рекомендуется устраивать на дорогах I-в и II-в категорий с использованием следующих материалов: асфальтобетона; черного щебня; щебня,
обработанного вяжущим по способу пропитки; крупнообломочных, песчаных и супесчаных грунтов, обработанных в установке битумной эмульсией
совместно с цементом.
Предварительно толщину покрытия из асфальтобетона облегченных
дорожных одежд следует назначить ровной 4 …6 см, а при использовании
других материалов – равной 6…8 см. Окончательную толщину покрытия устанавливают расчетом.
В отдельных случаях для дорог I-в и II-в категорий могут устраиваться
капитальные дорожные одежды с покрытием из асфальтобетонных плотных
смесей, укладываемых в горячем состоянии.
Для лесовозных дорог проектирование дорожных одежд капитального
и облегченного типов следует производить раздельно для грузового и порожнего направлений движения автотранспортных средств.
При проектировании покрытий лесовозных дорог переходного типа в
основном применяют серповидный профиль дорожной одежды (рис. 1.1).
Полукорытный профиль может применяться при ширине обочин 1 м и
более и толщине покрытия более 15 см: для гравийных покрытий – на земляном полотне из дренирующих грунтов; для покрытий из грунтов, укрепленных вяжущими материалами – при любых грунтах.
Корытный профиль может применяться для дорог с усовершенствованными типами покрытий.
При полукорытном профиле нижние слои дорожной одежды размещаются в корыте, а верхний слой (собственно покрытие) проектируется на
всю ширину полотна.
При земляном полотне из недренирующих грунтов можно предусмотреть устройство дополнительного слоя основания из песка на всю ширину
земляного полотна толщиной не менее 20 см. Для слоя гравия в этом случае
назначают полукорытный профиль.
Гравийные покрытия должны иметь слой износа (толщиной 2-5 см), не
включаемый в расчет дорожной одежды.
Минимально допустимая толщина конструктивных слоев дорожной
одежды из щебеночных и гравийных материалов, не обработанных вяжущими, при устройстве покрытия на песчаном основании принимается – 15 см;
на более прочном основании (из щебня, гравия, укрепленного грунта) – 8 см.
Количество и толщина слоев покрытия или основания из грунта, укрепленного вяжущими, определяется в зависимости от расчетной толщины покрытия и условий обеспечения качественного перемешивания и уплотнения
смеси. Толщина каждого слоя должна быть не менее 10 см и не более 20 см в
плотном теле. Поверхностная обработка (слой износа) в этом случае предусматривается на магистралях лесовозных дорог двойная. Толщина слоев износа и поверхностной обработки приведена в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Слой износа для различных покрытий
Материал слоя
износа
50
Слой износа, см при объеме вывозки по дороге,
тыс.м3/год
75 100 125 150 200 300 400 500
600
Поверхностная
–
–
–
–
1,5 2,0 2,0
2,5
2,5 3,0
обработка
Гравийный
материал,
грунтощебень
2
2
2
2
3
3
4
4
5
7
марок И–I,
И–II
То же, марков
2
2
3
3
3
4
5
6
7
–
И-III, И-IV
Грунты, укрепленные вя–
–
2
2
2
3
4
–
–
–
жущими
Оптимальная
грунтовая
3
3
4
–
–
–
–
–
–
–
смесь
Примечание. Для гравийных (щебеночных) покрытий при устройстве поверхностной обработки значения таблицы умножаются на 1,5.
Слои материалов в конструкции нежесткой дорожной одежды располагают по убывающей прочности (сверху вниз) в соответствии с затуханием
напряжений от колесной нагрузки. Для получения наиболее экономичной
конструкции требуемую прочность дорожной одежды нужно обеспечивать
проектированием основных несущих слоев из наиболее дешевых местных
материалов; более дорогие и прочные материалы, используемые для покрытия и верхних слоев основания, проектируют минимальной толщины. При
этом отношение модулей упругости смежных слоев из слабосвязанных материалов не должно превышать 5-6.
Необходимо стремиться к конструированию возможно минимального
числа слоев дорожной одежды (обычно 2-3- слойные на магистрали с дорожной одеждой переходного типа и 1-2- слойные на ветках без учета слоев поверхностной обработки), чтобы не осложнять технологический процесс
строительства дороги. Покрытие гравийных дорог проектируют из оптимальной гравийной смеси № 1 или № 2, а основание – из оптимальных смесей для основания (табл. 1.2).
Для щебеночных дорожных одежд размер частиц щебня для покрытия
должен быть в пределах 5-40 мм и для основания – 25-100 мм.
Шлаковый щебень устойчивой структуры из высокоактивных и активных шлаков можно также использовать для устройства покрытий на дорогах
IV-в и III-в категорий. Щебень неустойчивой структуры из активных шлаков
можно использовать только для устройства оснований.
Несущие основания для облегченных дорожных одежд с усовершенствованным покрытием предусматривают из монолитных или зернистых материалов: гравийного пористого асфальтобетона; гравийно-песчаных смесей,
обработанных органическими вяжущими; различных материалов, грунтов и
побочных продуктов промышленности, обработанных неорганическими или
комплексными вяжущими; щебеночных и щебеночно-гравийных смесей.
Асфальтобетонное покрытие и основание следует предусматривать, как
правило, однослойными.
Таблица 1.2
Зерновой состав конструктивных слоев
Количество частиц (% по массе), проходящих через сито
Конструктивный
с отверстиями (мм)
слой
менее
120
70
40
20
10
5
2,5 0,63
0,05
65- 45- 25- 15- 10Основание
100
5-30 2-20 0-5
85
75
60
50
40
Покрытие
60- 35- 20- 15- 10–
100
8-25 2-7
Смесь №1
85
70
60
20
40
70- 50- 35- 25- 15Смесь № 2
–
100
8-30 3-10
85
75
65
55
45
Основание из зернистых материалов должно быть, как правило, двухслойным: несущий слой из жестких и сдвигоустойчивых материалов (щебень, гравий, щебеночно-или гравийно-песчаные смеси, материалы и грунты,
укрепленные неорганическими вяжущими) и дополнительный слой, выполняющий морозозащитные и дренирующие функции.
Морозозащитные слои устраивают из стабильных зернистых материалов, таких как песок, песчано-гравийная смесь, гравий, щебень, шлаки и др.,
а также из грунтов, укрепленных вяжущими, или других непучинистых материалов. В случае устройства морозозащитного слоя из зернистых материалов
с коэффициентом фильтрации не менее 1-2 м/сут он может также выполнять
функцию дренирующего слоя. В этом случае морозозащитный слой нужно
устраивать на всю ширину земляного полотна с выходом на откосы насыпи.
Ширина морозозащитного слоя должна превышать ширину вышележащего
слоя не менее, чем на 0,5 м с каждой стороны.
Если крупнопористый материал (щебень, гравий) укладывается непосредственно на суглинистый или глинистый грунт земляного полотна, между
ними необходимо устраивать прослойку из крупного или среднего песка,
мелкого щебня, высевок, синтетических текстильных материалов в один
слой, предотвращающих взаимопроникновение материалов смежных слоев.
Толщину прослойки из зернистых материалов принимают равной 5…10 см.
При переувлажненном грунте земляного полотна толщина прослойки составляет 15…20 см, не учитываемую при расчете конструкции на прочность.
Защитной прослойкой может служить также слой из грунта, укрепленного вяжущими материалами, толщиной 5…8 см, которую уже учитывают
при расчете одежды на прочность. Если на непереувлажненном грунте или
одномерном песке толщина прослойки из зернистых материалов превышает
5 см, то толщину слоя сверх 5 см также учитывают при расчете дорожной
одежды.
Поперечные уклоны проезжей части при двускатном поперечном профиле следует назначать для капитальных дорожных одежд 20 ‰, облегченных–30 ‰, переходных – 35 ‰, низших – 40 ‰. Для дорог, расположенных в
I дорожной климатической зоне, поперечные уклоны принимаются на
5 ‰ меньше.
Поперечные уклоны обочин следует принимать на 10-30 ‰ больше поперечных уклонов проезжей части. В зависимости от климатических условий
и типа укрепления обочин допускаются следующие поперечные уклоны, ‰:
при укреплении с применением вяжущих – 30…40; при укреплении гравием,
щебнем, шлаком– 40…50; при укреплении одерновкой и засевом трав–
50…60.
Для однополосных лесовозных дорог уклоны проезжей части и обочин
надлежит принимать одинаковыми и равными, %о:
–при покрытиях гравийных, щебеночных, грунтощебеночных, грунтогравийных и грунтовых улучшенных– 50…60;
–при покрытиях щебеночных, гравийных и из других материалов, укрепленных вяжущими – 30…40.
Участки обочин шириной 0,5 м, прилегающие к проезжей части дорог
I-в и II-в категорий, предусматривают с твердым покрытием, прочность которого должна соответствовать нагрузке расчетного автомобиля. Поверхность остальной части обочин в зависимости от объема перевозок по дороге
и состава движения, типа грунта земляного полотна и особенностей климатических условий следует укреплять слоем щебня, гравия, шлака и других
местных крупнозернистых материалов, допускающих по прочности систематические выезды транспортных средств на обочины без существенных деформаций.
2 Расчет дорожных одежд на прочность
2.1 Основные положения
Вертикальные силы от веса подвижного состава и динамических усилий, возникающих из-за неровностей покрытий, через контактную площадку
от колес создают напряженное состояние в слоях дорожной конструкции.
Возникающие деформации до какой-то определенной нагрузки носят обратимый характер. При увеличении этой нагрузки появляются остаточные
(пластические) деформации, приводящие с течением времени к разрушению
дорожной одежды.
В процессе службы дорог под влиянием многократно прилагаемых нагрузок в дорожных одеждах возникают явления усталости. Зерна минеральных материалов истираются и дробятся, органические вяжущие материалы
под влиянием температурных колебаний и нагрузок становятся хрупкими, их
прилипаемость к камню ухудшается. Многократное воздействие колес автомобилей в периоды временного снижения прочности подстилающих грунтов
(весной или осенью) приводит к постепенному накоплению усталостных
пластических деформаций в дорожной одежде. Если их суммарная величина
превысит некоторое допустимое значение, одежда разрушится.
Таким образом, прочность дорожной одежды зависит от предельно допустимой величины прогиба и приложений нагрузки.
Под нагрузкой при прогибе дорожной одежды в ее верхний части происходит сжатие материала, а в нижней части конструктивных слоев–
растяжение.
При превышении растягивающими напряжениями предела прочности
материала образуются трещины, а в основаниях из несвязных и малосвязных
материалов (гравия, песка, щебня) и в подстилающем грунте могут возникать зоны пластического течения, развитие которых приводит к потере прочности.
В соответствии с этим нежесткие дорожные одежды рассчитывают на
прочность по трем критериям: а) сопротивление упругому прогибу всей конструкции; б) сопротивление сдвигу в слоях с пониженной сопротивляемостью сдвигу; в)сопротивление растяжению при изгибе монолитных слоев.
Наиболее распространенные на автомобильных лесовозных дорогах
дорожные одежды с покрытиями переходного типа рассчитывают на воздействие подвижных нагрузок только по двум критериям – допускаемым напряжениям на сдвиг и допустимому упругому прогибу.
Нагрузка от колес автомобиля при его движении действует в течение
краткого периода времени (0,1 с). При этом деформации одежды и грунта основания не успевают полностью проявиться из-за вязкости грунтов и материалов конструктивных слоев одежды. В результате замедления протекания
деформации дорожная одежда прогибается меньше, чем при статическом
приложении нагрузки. Для грунтового основания это аналогично уменьшению приложенного давления или возрастанию его модуля упругости.
Дорожные одежды на перегонах дорог рассчитывают на кратковременное действие подвижных нагрузок. Принимаемые значения параметров
прочностных и деформативных характеристик материалов и грунта в этом
случае должны соответствовать указанному характеру приложения нагрузки.
Одежды на остановках, подходах к пересечениям с железнодорожными путями, обочинах дорог следует рассчитывать на однократное нагружение при продолжительности нагружения более 10 мин. В этом случае используются статические значения расчетных параметров, и коэффициенты на
повторность не вводятся. Расчет ведут по критериям сдвига в грунте и слабосвязных материалах.
Для обеспечения необходимых условий эксплуатации автомобильные
дороги проектируют с учетом надежности, под которой понимают вероятность безотказной работы конструкции дороги в течение всего периода между капитальными ремонтами.
В качестве количественного показателя отказа дорожной одежды используется предельный коэффициент разрушения Кр, представляющий собой
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 Кр на последний год службы в зависимости
от капитальности дорожной одежды и категории дороги можно принимать в
соответствии с табл. 2.1.
Прочность конструкции количественно оценивается коэффициентом
прочности, определяемы как отношение допустимого общего прогиба запроектированной дорожной одежды под расчетной нагрузкой lдоп к ее расчетному значению l
l
E
К пр = доп = об ,
(2.1)
l
Етр
где Етр и Еоб– требуемый и расчетный общий модуль упругости дорожной одежды.
Требуемой уровень надежности в каждом конкретном случае должен
быть указан при выдаче задания на проектирование. В зависимости от заданного уровня надежности, типа дорожной одежды и категории дороги устанавливают минимальный коэффициент прочности (табл. 2.1).
2.2 Расчет дорожных одежд по допустимому упругому прогибу
Требуемая прочность дорожной одежды под нагрузкой от расчетного
автомобиля по критерию упругого прогиба будет обеспечена, если соблюдается условие
Е общ ≥ К пр Е тр .
(2.1)
Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу ведется в
следующем порядке:
1 Определяют фактическую суточную интенсивность движения транспортных средств m-й марки в одном направлении на последний год срока
службы дорожной одежды
Q
N = лет ,
(2.2)
АQпол
где Qлет– расчетный объем вывозки древесины за неморозный период, м3;
А– число дней работы в неморозный период;
Qпол–нормативная рейсовая нагрузка автомобиля, м3.
1,10
сдвига и
растяжения при
изгибе
Требуемый
коэффициент
прочности
Кпр по критерию
сдвига
упругого прогиба
Заданная надежность Кн
Переменный коэффициент разрушения Кр
Категория дороги
1,0
1,17
0,95
1,38
упругого
прогиба
Требуемый
коэффициент
прочности Кпр
по критерию:
0,98
1,0
1,20
0,95
0,05
Предельный коэффициент разрушения Кр
Заданная надежность Кн
I-в
0,1
II-в
0,94
1,1
0,9
1,1
III-в
1,0
0,94
1,06
0,9
0,9
1,10
0,85
1,29 1,17
0,98 0,95
Капитальный
Категория дороги
Тип дорожной одежды
1,0
1,17
0,95
0,94
1,10
0,90
0,87
1,02
0,4
1,0
1,13
0,95
Переходный
0,8
1,1
1,29
0,98
II в
Облегченный
1,0
0,9
IV-в
0,94
1,10
0,94
1,06
0,9
1,17
0,95
0,15
0,87
0,98
0,8
0,9
1,06
0,85
III-в
0,8
0,9
0,7
0,87
1,13
0,8
Таблица 2.1
Требуемые минимальные коэффициенты прочности при заданных уровнях надежности для расчета дорожных одежд
2.Определяют приведенную расчетную интенсивность движения, т.е.
среднесуточное приведенное к расчетной нагрузке число проездов всех колес, расположенных по одному борту автомобилей (автопоездов)
n
N р = ∑ NS m сум
m =1
,
(2.3)
где S mcyм – суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства m-й марки к расчетной нагрузке;
n – число марок автомобилей.
При проектировании дорожных одежд в качестве расчетных приняты
нормированные СниП предельные нагрузки на ось автомобилей (табл. 2.2).
Для лесовозных дорог в качестве расчетных принимаются нагрузки от
автомобилей группа А, и коэффициент приведения Smсум находят по табл. 2.3,
так как транспортный поток этих дорог состоит только из серийных транспортных средств.
Таблица 2.2
Расчетные нагрузки для автомобильных дорог
Тип
транспорта
Автомобили:
группа
А1
группа
А2
Номинальная
статистическая
нагрузка,
кН
Нормированная наРасчетный диагрузка, передаваемая
метр следа коледорожной одежде ко- Среднее
са автомобиля, м
лесом автомобиля, кН расчетное
давление колеса на подвинеподдвижущенеподкрытие, МПа
жущевижного
гося
вижного
гося
100
50
65
0,6
0,33
0,37
110
55
71,5
0,6
0,34
0,39
первую 2Qн1
вторую 2Qн2
третью 2Qн3
четвертую 2Qн4
пятую 2Qн5
Нагрузка на покрытие от колеса движущегося автопоезда через оси, кН:
первую
вторую
третью
четвертую
пятую
Статическая нагрузка
на оси, кН:
1
Масса автопоезда, т
Показатели
54/43
102/47
–
87/20
87/20
35,1/27,9
66,3/30,5
–
56,6/13,0
56,6/13,0
32,5/28,6
63,7/33,8
–
47,5/13,0
47,5/13,0
3
33,0/13,0
МАЗ-5434
+ГКБ9383011
50/44
98/52
–
73/20
73/20
2
29,4/13,6
МАЗ-509+
ГКБ 9383011
58/55
75,5/36
75,5/36
95/22
95/22
37,7/35,8
49,0/23,4
49,0/23,4
61,8/14,3
61,8/14,3
47,5/42,9
52,0/22,7
52,0/22,7
61,7/14,3
61,7/14,3
5
39,9/17,1
КрАЗ255Л+
ГКБ 9383 010
73/66
80/35
80/35
95/22
95/22
4
42,3/18,0
КрАЗ-260Л+
ГКБ 9383010
Техническая характеристика лесовозных автопоездов
Таблица 2.3
27,3/22,7
35,4/14,3
35,4/14,3
52,0/13,0
52,0/13,0
42/35
54,5/22
54,5/22
80/20
80/20
6
31,1/11,9
Урал375Н+
ГКБ 9383011
26,6/20,8
35,3/11,7
35,3/11,7
33,8/7,8
33,8/7,8
20,8/18,8 26,0/22,1
23,6/12,3 35,1/13
23,6/12,3 35,1/13
35,1/7,8
33,8/7,8
35,1/7,8
33,8/7,8
9
25,4/9,2
КамАЗ5410+ТМЗ802
41/32
54,5/18
54,5/18
52/12
52/12
8
25,2/9,9
Урал377+ТМЗ802
40/34
54/20
54/20
52/12,5
52/12,5
32/29
36,5/19
36,6/19
54/12
54/12
7
21,3/9,1
ЗИЛ131+ТМЗ802
–
1,35
–
1,35
2,72/0,57
2,78/0,57
2,56/0,09
Суммарный коэффициент
Sсумдля
всех осей одного автопоезда при типе
покрытия:
переходном
облегченном
капитальном
4,82/0,91
6,22/0,51
7,34/0,23
1,40
1,40
4
4,43/0,79
5,74/0,42
6,79/0,15
1,40
1,40
5
2,82/0,57
2,98/0,12
2,76/0,02
1,35
1,40
6
2,11/0,22
1,02/0,06
0,57/0,01
1,20
1,25
7
1,79/0,27
1,39/0,01
0,82/0,01
1,20
1,40
8
9
1,80/0,14
1,31/0,02
0,80/0,01
1,20
1,32
Примечание. В числителе дан показатель для автопоезда груженого, а в знаменателе – порожнего.
3,47/0,51
4,12/0,22
4,61/0,07
3
2
1
Расстояние между
осями автопоездами, м:
второй и третьей
(тягач)
Четвертой и пятой
(прицеп)
Окончание табл. 2.3
Для однополосных дорог значение Sсум принимается по табл.2.3 равным
сумме для груженого и порожнего автопоездов, для двухполосных дорог с
равнопрочными сторонами Sсум учитывается только для груженого автопоезда.
Для двухполосных дорог с разнопрочными полосами
n
n
m =1
m =1
′
N p = ∑ NS тсум + 0 ,25 ∑ NS тсум
,
(2.4)
′
где S mcyм и S mcyм
– суммарный коэффициент приведения воздействия
на дорожную одежду транспортного средства m-й марки к расчетной нагрузке
соответственно груженого и порожнего автопоезда.
В том случае, если по автомобильной дороге обращаются транспортные
средства, не указанные в табл. 2.3.
S mcyм = ∑ S n ,
(2.5)
где n– число осей у данного транспортного средства.
Sn– коэффициент приведения номинальной динамической нагрузки
Qn от колеса n-ой оси движущегося транспортного средства к расчетной динамической нагрузке Qрас.
Номинальная динамическая нагрузка от колеса каждой оси на покрытие
определяется путем умножения номинальной статической нагрузки Qncm от
данного колеса, на динамический коэффициент К дин , принимаемый равным
1,3
Qn = Qпст К дин .
(2.6)
Коэффициент приведения нагрузок S n определяют по формуле
β
Q 
Sn =  n  ,
 Qp 


где Qn– номинальная динамическая нагрузка от колеса на покрытие;
Qp– динамическая нагрузка от колеса расчетного автомобиля на покрытие;
β– показатель степени, принимаемый равным для дорожных одежд
капитального типа 4,4; для облегченных – 3,0 и переходных– 2,0.
При определении расчетного значения номинальный статистический
нагрузки для многоосных транспортных средств фактическую номинальную
нагрузку на колесо, определенную по паспортным данным, следует умножать
на коэффициент Кк, вычисляемый по формуле
К к = а − в Бm − c ,
(2.7)
где Бm– расстояние между осями тележки, м;
а,в,с–параметры, определяемые в зависимости от капитальности дорожной одежды и числа осей тележки по табл. 2.4.
Таблица 2.4
Значения параметров а,в,с
Тележки
а
в
С
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.
Таблица 2.5
Рекомендуемые значения Трдг в зависимости от местоположения дороги
№
Рекомендуер
мое количеайоПримерные географические границы
ство расчетна
районов
ных дней в
на
году (Трдг)
карте
Зона распространения вечномерзлых грунтов север1
70
нее семидесятой параллели
Севернее линии, соединяющей Онегу–Архангельск –
Мезень – Нарьян - Мар –шестидесятый меридиан– до
2
145
побережья Европейской части
Севернее линии, соединяющей Минск–Смоленск–
Калугу–Рязань–Саранск–сорок восьмой меридиан–до
3
125
линии, соединяющей Онегу–Архангельск–Мезень–
Нарьян-Мар
Севернее
линии,
соединяющей
Львов–Киев–
4
Белгород–Воронеж–Саратов–Самару–Оренбург–
135
шестидесятый меридиан до линии районов 2 и 3
Севернее линии, соединяющей Ростов-на-Дону–
Элисту–Астрахань до линии Львов–Киев–Белгород–
5
145
Воронеж–Саратов–Самара
Южнее линии Ростов-на-Дону–Элиста–Астрахань
для Европейской части, южнее сорок шестой парал6
205
лели для остальных территорий
Восточная и Западная Сибирь, Дальний Восток 130-150
(кроме Хабаровского и Приморского краев, Камчат- (меньшие
ской области), ограниченные с севера семидесятой знач-ия для
7
параллелью, с юга сорок шестой параллелью
центральной
части)
Хабаровский и Приморский края, Камчатская об140
8
ласть
Примечание. Расчетным считается день, в течение которого температурно-влажностное состояние грунта земляного полотна обеспечивает
возможность накопления в нем или в малосвязных слоях дорожной одежды
остаточной деформации.
3 Определяют суммарное расчетной число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности дорожной одежды за ее срок службы по формуле
K
(2.8)
∑ N p = 0,7 N p ( Т слc−1 ) Т рдг k n ,
q
где Трдг– число расчетных дней в году (табл. 2.5).
kп–коэффициент учитывающий вероятность отклонения суммарного
движения от среднего ожидаемого (табл. 2.6);
Таблица 2.6
Значения коэффициентов kп
Тип дорожной
Значения коэффициента kп при категории дороги
одежды
I-в
II-в
III-в
IV-в
Капитальный
1,49
1,38
1,31
–
Облегченный
1,47
1,32
1,26
1,06
Переходный
–
1,19
1,16
1,04
Кс– коэффициент суммирования, определяется по табл. 2.7
Таблица 2.7
Коэффициенты суммирования
Показатель измене- Значения Кс при сроке службы дорожной одежды
ния
интенсивности
Тсл в годах
движения по годам q
8
10
15
20
0,90
5,7
6,5
7,9
8,8
0,92
6,1
7,1
8,9
10,1
0,94
6,5
7,7
10,0
11,8
0,96
7,0
8,4
11,4
13,9
0,98
7,5
9,1
13,1
16,6
1,00
8,0
10,0
15,0
20,0
1,02
8,6
10,9
17,2
24,4
1,04
9,2
12,0
20,0
29,8
1,06
9,9
13,2
23,2
36,0
1,08
10,6
14,5
27,2
45,8
1,10
11,4
15,9
31,7
67,3
q– показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам;
Т сл – расчетный срок службы дорожной одежды до капитального ремонта. Минимальная величина Тсл принимается для лесовозных дорог с капитальным типом покрытия из асфальтобетона 20 лет, облегченного типа – 15
лет, переходного – 6 лет.
4 Определяют величину минимального требуемого модуля упругости
дорожной конструкции.
При ΣNp>4⋅104 и расчетной нагрузке на ось 100кН
Етр = 98 ,65 lg ΣN p − 350 ,21 .
(2.9)
Независимых от результата, полученного по формуле (2.10), требуемый
модуль упругости должен быть не менее для дорог IV-в и III-в категории с переходным типом покрытия соответственно 50 и 100 МПа, для облегченных
одежд с категорией дороги III-в – 150 ;II-в –200; I-в–210 МПа.
5 В зависимости от требуемого уровня надежности по табл. 2.1 выбираем требуемый коэффициент прочности Кпр и определяем общий расчетный
модуль упругости дорожной одежды
Еоб = К пр Eтр .
6 По табл. 2.8 определяют среднюю относительную влажность грунта
Wср в долях от границы текучести WТ
Таблица 2.8
Среднее значение влажности грунта Wср(доли WТ)
Дорожноклиматические
зоны и
подзоны
I1
I2
I3
II1
II2
III
IV
Схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна
Супесь
легкая
Песок пылеватый
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2-3
1
2-3
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
0,55
0,59
0,53
0,57
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
0,57
0,61
0,55
0,58
Суглинок
легкий, тяжелый, тяжёлый пылеватый,
глины
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
0,60
0,63
0,57
0,60
Супесь пылеватая, тяжёлая пылеватая, суглинок лёгкий
пылеватый
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
0,63
0,67
0,60
0,64
Примечание. В выемках и малых насыпях, не отвечающих требованиям СНиП (см. таб.3.8), табличные значения увеличиваются на 0,03 Wт, а при
высоте насыпей, превышающих требования СНиП,– не менее чем в 1,5 раза,
значения Wср принимают как для 1-го типа местности.
С учетом уровня надежности дорожной конструкции находят расчетные
влажности грунта по формуле
W p = Wcp ( 1 + tνw ) ,
(2.10)
где t – коэффициент нормированного отклонения, принимается в зависимости от заданного уровня надежности;
νw – коэффициент вариации влажности, равный 0,1.
Таблица 2.9
Значения коэффициентов нормированного отклонения t
Уровень надежности
Коэффициент
нормированного
отклонения
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
0,98
0,52
0,68
0,84
1,06
1,32
1,71
2,19
6 В зависимости от расчетного значения влажности грунта по табл. 2.10
назначают модуль упругости грунта земляного полотна.
7 Намечают конструкцию дорожной одежды и принимают обычно толщину верхнего слоя одежды. Учитывая, что этот слой состоит из наиболее дорогих материалов, его величину назначают, как правило, минимально допустимой или близкой к ней.
По технико-экономическим соображениям можно также определять
толщину покрытия при предварительно заданной толщине основания.
8 По табл. 2.11 для каждого материала дорожной одежды назначают
модуль упругости. Для асфальтобетонов модуль упругости выбирают по табл.
2.12 при температуре покрытия 10оС.
9 Зная общий модуль упругости и принятую толщину покрытия, берут
Еобщ
h
отношения
и 1 , где Е1– модуль упругости материала покрытия; h1–
D
Е1
толщина слоя покрытия; D – расчетный диаметр следа колеса автомобиля.
10 Пользуясь номограммой (рис.2.1), на оси абсцисс находят значение
h1 / D , и из нее восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой
Eобщ
. Из найденной точки пересечения опускают перпендикуляр на ось орE1
′
Eобщ
, из которого определяют E′общ– обдинат, и по ней находят значение
Е1
щий модуль упругости на верхней границе основания.
90
60
90
90
90
90
96
70
108
108
108
108
0,5
72
72
72
56
72
84
50
50
54
53
54
78
41
41
46
49
46
72
65
130
120
100
75
34
34
38
45
38
60
29
29
32
43
32
66
25
24
24
26
41
26
42
27
25
27
48
54
Модуль упругости, при относительной влажности W/Wm,МПа
0,55 0,60
0,65
0,70 0,75
0,80
0,85 0,90
23
23
25
40
25
43
0,95
Примечание. Классификация песков дана по ГОСТу 25 100-95. Однородные выделяются по указаниям СниП «Автомобильные дороги».
пылеватые
Супеси:
легкая
пылеватая, тяжелая пылеватая
легкая крупная
Суглинки:
легкий, тяжелый
легкий пылеватый, тяжелый пылеватый
Глины
Пески:
Крупные
средней крупности
мелкие
однородные
Грунт
Таблица 2.10
Нормативные значения модулей упругости грунтов
Таблица 2.11
Расчетный модуль упругости дорожно-строительных материалов
Материал
Черный щебень, уложенный по способу заклинки
Черный гравий
Щебень I и II класса прочности, пропитанный вязким битумом
Щебень фракционированный I…III класса прочности,
уложенный по способу заклинки:
из прочных осадочных пород
из изверженных пород
Грунт, укрепленный жидким битумом:
супесь непылеватая
суглинок, супесь пылеватая
Сортированный щебень
Гравий подобранного состава:
крупная смесь
мелкая смесь
Песчано-гравийные смеси
Шлак с подобранным гранулометрическим составом:
активный
малоактивный
Грунты оптимального гранулометрического состава, укрепленные цементом, в количестве, %
6
8
10
Супесчаные грунты, укрепленные цементом, в количестве, %
6
8
10
12
Суглинистые грунты, укрепленные цементом, в количестве, %
6
8
10
12
Грунты оптимального состава, обработанные органическими вяжущими, в количестве, %
6
8
Модуль упругости, Е, МПа
600…900
400…550
400…600
350…450
250…350
150…200
80…150
300…450
200…250
150…200
180
350…450
150…200
200
300
400
180
280
350
400
150
220
270
300
200-250
250-280
Таблица 2.12
Нормативные значения кратковременного (на перегонах) модуля упругости Е, используемые в расчетах конструкций по упругому прогибу по условию сдвигоустойчивости
Марка биТемпература покрытия, оС
Материал
тума
10
20
30
40
БНД 40/60
4400
2600
1300
690
БНД 60/90
3200
1800
900
550
БНД 90/130
2400
1200
660
440
БНД 130/200
1500
800
560
380
Плотный асфальтоБНД 200/300
1200
600
420
350
бетон
БГ 70/130
1000
400
350
300
СГ 130/200
900
400
350
300
СГ 70/130
800
350
300
250
МГ 70/130
800
350
300
250
900
540
Пористый и высо- БНД 40/60
2800
1700
1200
700
460
копористый асфаль- БНД 60/90
2000
380
тобетон (в т.ч. би- БНД 90/130
1400
800
510
340
1100
590
410
тумно-песчаная
БНД 130/200
950
460
350
330
смесь)
БНД 200/300
Примечание. 1 За расчетную температуру принимают: при расчете
по упругому прогибу 10оС, при расчете по сдвигу в I и II дорожноклиматических зонах 20оС, в III зоне – 30оС, IV– 40оС.
2 Модули упругости пористого и высокопористого асфальтобетона
даны применительно к песчаным смесям. При температуре 30…50оС для
мелкозернистых смесей их следует увеличить на 10 %, а для крупнозернистых– на 20 %.
′
Для определения толщины основания берут отношения E общ
/ Е2 и
Е о / Е 2 (Е2 – модуль упругости основания, Ео – модуль упругости грунта
земляного полотна). Из точки на оси ординат, численно равной отношению Е о / Е 2 , восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой
′
Е общ
/ Е 2 и из полученной точки опускают перпендикуляр на ось абсцисс, по
которой находят отношение h2 / D , откуда определяют толщину основания
дорожной одежды h2.
Расчет многослойной одежды осуществляется путем последовательного
перехода от слоя к слою. Например, при расчете трехслойной одежды аналогично предыдущему определяют общий модуль упругости на поверхности
верхнего слоя основания. Затем назначают толщину нижнего слоя основания
и определяют по номограмме общий модуль упругости на поверхности нижнего слоя основания. Зная модуль упругости на поверхности верхнего и нижнего слоев основания, толщину верхнего слоя основания вычисляют, также
используя номограмму.
2.3 Расчет дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев.
Дорожную одежду проектируют из расчета, чтобы под действием кратковременных или длительных нагрузок в подстилающем грунте земляного
полотна или в малосвязных (песчаных) слоях за весь срок службы не накапливались недопустимые деформации сдвига.
Сдвиг в грунте земляного полотна и в малосвязных (песчаных) слоях не
возникает, если будет выполнено условие
Т пр
К пр ≤
,
Т
где К пр – требуемой минимальное значение коэффициента прочности,
определяется по табл. 2.1 с учетом заданного уровня надежности;
Т пр – допустимое предельное требуемое активное напряжение
сдвига в грунте земляного полотна в песчаном слое основания дорожной одежды;
Т– активное напряжение сдвига в расчетной (наиболее опасной)
точке дорожной конструкции от действующей временной нагрузки.
За активные напряжения сдвига принимают часть сдвигающего напряжения, непогашенного внутренним трением
Т = τ − σtgϕ ,
(2.12)
где τ и σ– касательное и нормальное напряжения, действующие в рассматриваемой точке;
ϕ– угол внутреннего трения материала.
1 В начале расчета многослойную дорожную одежду приводят к двухслойной расчетной модели.
При расчете дорожной конструкции на прочность по сдвигоустойчивости грунта земляного полотна в качестве нижнего слоя принимают
грунт земляного полотна, а в качестве верхнего – всю дорожную одежду.
Средний модуль упругости всей дорожной одежды определяют по формуле
n
n
i =1
i =1
Е ср = ∑ Ehi / ∑ hi ,
(2.13)
где Ei– модуль упругости i-го слоя, МПа;
h1– толщина i-го слоя, м;
n – число слоев дорожной одежды.
2. По номограмме (рис. 2.2 и рис. 2.3) находят удельное активное напряжение сдвига ~
τ н от действия единичной нагрузки р=1. Номограмма связыn
вает относительную толщину одежды ∑ hi / D (верхняя горизонтальная шкаi =1
ла), отношение модулей упругости верхнего и нижнего слоев
Еср / E гр = E1 / Е2 (кривые на номограмме), угол внутреннего трения грунта
ϕгр (лучи на номограмме) и максимальное активное напряжение сдвига τ н от
единичной нагрузки в нижнем слое (нижняя горизонтальная шкала). Порядок
нахождения показан на номограмме стрелками.
Активное напряжение от временной нагрузки определяют по формуле
Т=τнр ,
(2.14)
где р – расчетное давление от колеса на покрытие.
При расчете по условию сдвигоустойчивости в песчаном слое основания толщину верхнего слоя модели составляют все слои, лежащие над песчаным слоем. Средневзвешенный модуль упругости верхнего слоя вычисляют
по формуле (2.13), а за модуль упругости нижнего слоя принимают общий
модуль на поверхности песчаного слоя.
Нормативные значения модуля упругости асфальтобетонов при действии кратковременной нагрузки принимают по табл. 2.12 с учетом температуры, указанной в примечании к таблице.
Углы внутреннего трения глинистых и песчаных грунтов приведены в
табл. 2.13 и 2.14, которые должны приниматься в соответствии с числом приложения расчетной нагрузки, определяемой по формуле (2.8).
0,030
0,024
0,019
0,015
0,011
0,008
0,030
0,019
0,013
0,009
0,007
0,004
0,016
0,013
0,009
0,006
0,005
0,004
0,012
0,009
0,006
0,004
0,002
0,001
Супеси и пески пылеватые
0,014
0,011
0,007
0,005
0,003
0,002
24
21
18
15
13
11,5
20
15
11,5
10
8
6,5
14,5
11
8,5
7,5
5
3,5
11
8
6,5
5
3
2,2
9
7
5,5
4
2,5
2
0,6
0,014
0,012
0,008
0,006
0,005
36
24
18
14
12
0,65
0,013
0,010
0,008
0,006
0,004
36
23,5
17
14
12
0,70
0,012
0,009
0,006
0,005
0,004
35
23,5
17
14
12
0,75
0,011
0,008
0,005
0,004
0,003
35
23
17
14
12
0,80
0,010
0,007
0,005
0,004
0,003
34
23
17
14
12
0,85
0,009
0,007
0,004
0,003
0,003
34
22
15
12
10
0,90
0,008
0,004
0,003
0,003
0,003
33
21
12,5
10
8
Примечание. Значение сдвиговых характеристик при ΣNp=1 используются при расчете на статическое действие
нагрузки. При ΣNp>106 расчетные значения ϕ и с следует принимать по столбцу «106».
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,90
Суглинки и глины
Таблица 2.13.
Нормативные значения сдвиговых характеристик глинистых грунтов в зависимости от расчетного числа
приложений расчетной нагрузки
Расчетная от- Сцепление, МПа при суммарном числе приложеУгол внутреннего трения, град. при суммарном
носительная
ний нагрузки (ΣNp)
числе приложений нагрузки (ΣNp)
3
4
5
6
влажность
10
10
10
1
103
104
105
106
1
10
34/0,005
5
31/0,006
8
27/0,005
27/0,004
28/0,003
30/0,004
30/0,004
31/0,004
33/0,003
26/0,004 25/0,003
26/0,004 25/0,004
27/0,002 26/0,002
29/0,003 28/0,003
30/0,003 28/0,003
36/0,004 29/0,003
32/0,003 31/0,003
23/0,002
24/0,003
25/0,002
26/0,002
27/0,002
28/0,003
29/0,003
ΣN р > А ⋅ 106 расчетные значения ϕ и с следует принимать по столбцу «106». 3. Значе-
ния для супеси лёгкой крупной принимать как для песка мелкого с содержанием пылевато – глинистой фракции -8%.
градусах, в знаменателе –сцепление в МПа.3.При
Примечание.1 Значения характеристик даны для условий полного заполнения пор водой. 2 В числителе –угол внутреннего трения в
31/0,005
31/0,003
33/0,005
5
Песок мелкий с содержанием пылевато-глинистой фракции, %:
0
5
32/0,004
35/0,004
Сцепление, МПа ,и угол внутреннего трения, град при
суммарном числе приложений нагрузки (ΣNp)
1
103
104
105
106
0
Песок средний крупности с содержанием пылевато-глинистой фракции, %:
0
Песок крупный с содержанием пылевато-глинистой фракции, %:
Тип грунта
Таблица 2.14
Расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления песчаных грунтов и песков конструктивных слоев в зависимости от расчетного числа приложения расчетной нагрузки (ΣNp)
Допустимое предельное активное напряжение сдвига Тпр в грунте рабочего слоя или в песчаном материале основания определяют по формуле
Т пр = k д ( С N + 0 ,1γ ср z оn tgφ ст ) ,
(2.15)
где СN–сцепление в грунте земляного полотна (или в песчаном слое основания), МПа, принимаемое с учетом повторности нагрузки (табл. 2.13,
2.14);
kд – коэффициент, учитывающий особенности работы конструкции
на границе песчаного слоя с другими слоями основания или покрытия.
При устройстве слоя, лежащего над песчаным, из укрепленных материалов, следует принимать значения kд при использовании в песчаном слое
песка: крупного -4.5, средней крупности – 4,0; мелкого – 3,0. При устройстве
основания, лежащего над песчаным, из неукреплённых материалов и без укладки разделительной геотекстильной прослойки следует принимать kд=2.
При проверке сдвигоустойчивости в подстилающем дорожную одежду глинистом грунте земляного полотна следует принимать kд=1; γср– средневзвешенная плотность конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя, кг/см3; zоn– расстояния от верха конструкции до поверхности слоя,
проверяемого на сдвигоустойчивость, см; ϕ ст– расчетная величина угла внутреннего трения материала проверяемого слоя при статическом действии нагрузки (при ΣNp=1).
Если определенное по формуле (2.11) условие прочности не выполняется, то необходимо или увеличить толщину какого-либо слоя дорожной
одежды, или заменить материал одного из слоев на материал с большим модулем упругости.
2.4 Расчёт усовершенствованных дорожных одежд на сопротивление монолитных слоёв усталостному разрушению от растяжения при изгибе.
В монолитных слоях дорожной одежды (из асфальтобетона, материалов и грунтов, укреплённых комплексными и неорганическими вяжущими и
др.) напряжения, возникающие под действием повторных кратковременных
нагрузок, не должны в течение заданного срока службы приводить к образованию трещин от усталостного разрушения. Для этого должно быть обеспечено условие:
R
(2.16)
k np < н ,
σr
где knp– требуемый коэффициент прочности с учётом заданного уровня
надёжности, принимается по табл.2.1;
Rн - прочность материала слоя на растяжение при изгибе с учётом
усталостных явлений, МПа;
σ r - наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом
слое, устанавливаемое расчётом.
Расчёт на усталостную прочность выполняют в следующем порядке:
1 Реальную многослойную конструкцию дорожной одежды приводят к
двухслойной модели.
К верхнему слою модели относят все асфальтобетонные слои, включая
рассчитываемый, принимая за толщину верхнего слоя hВ сумму толщин
всех входящих в него слоёв (hi ).
Значение модуля упругости верхнего слоя модели EB устанавливают
как средневзвешенное для всего пакета асфальтобетонных слоёв по формуле
2.13.
Все слои, расположенные ниже пакета асфальтобетонных слоёв, составляют нижний слой модели. В него включают также грунт рабочего слоя
земляного полотна.
Общий модуль упругости нижнего слоя модели Еобщ н определяют с
помощью номограммы (рис. 2.1).
h
Ев
2 Определяют отношения в и
.
D
Е общ н
3 По полученным параметрам по номограмме (рис. 2.4) находят значе_
ние растягивающего напряжения σ
грузки (р= 1 МПа).
при изгибе от действия единичной на-
r
hв
(гоD
ризонтальная ось) и отношение средневзвешенного значения модуля упругости верхнего слоя к общему модулю упругости на поверхности нижнего слоя
_
Ев
(кривые) с величиной σ r (вертикальная ось).
Е общ н
Номограмма связывает относительную толщину верхнего слоя
4 Определяют расчётное растягивающее напряжение от действия временной расчётной нагрузки по формуле
_
σ r = σ r рk в ,
(2.17)
где p – давление от колеса расчётного автомобиля;
k в - коэффициент учёта особенности напряжённого состояния покрытия под спаренным баллоном, k в =0,85 (при расчёте на однобаллонное
колесо k в =1,0).
5 Вычисляют предельное растягивающее напряжение RN для материала
нижнего слоя асфальтобетонного пакета по формуле
R N = R0 k1k 2 (1 − γ t ) ,
(2.18)
где RO – нормативное значение предельного сопротивления растяжению (прочность) при изгибе при расчётной низкой весенней температуре при
однократном приложении нагрузки (табл. 2.15);
k1 - коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие
усталостных явлений при многократном приложении нагрузки;
k2 - коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени
от воздействия погодно – климатических факторов: для высокоплотных асфальтобетонов k2 =1,0; для плотных I марки – 0,95; II марки - 0,9; III марки, а
также пористых асфальтобетонов и органоминеральных смесей -0,8.
Коэффициент k1, отражающий влияние на прочность усталостных процессов, вычисляют по выражению:
k1 =
α
m∑Np
,
(2.19)
где α – коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения во времени расчётной (низкой) температуры покрытия и расчётного
состояния грунта рабочего слоя во влажности (табл. 2.15);
m - показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя (табл. 2.15).
6 Проверяют условие (2.16) и при необходимости корректируют конструкцию дорожной одежды.
3 Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость
В районах сезонного промерзания грунтов при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях наряду с требуемой прочностью должна
обеспечена морозоустойчивость дорожных одежд. Конструкцию считают
морозоустойчивой, если соблюдено условие
l пуч ≤ l доп ,
(3.1)
где l пуч – расчётное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;
l доп - допускаемое для данной конструкции пучение грунта.
Принимается l доп = 4 см для асфальтобетонных покрытий капитальных
дорожных одежд, для асфальтобетонных покрытий облегчённых дорожных
одежд – 6 см, для переходных покрытий – 10 см.
В восточных районах II и III дорожно – климатических зон значения
l доп следует увеличивать на 20-40 % (большие значения для облегчённых и
переходных дорожных одежд).
Расчёт на морозоустойчивость необходимо выполнять в районах сезонного промерзания грунтов для характерных участков дороги, имеющих
неблагоприятные грунтовые и гидрологические условия.
При предварительной проверке на морозоустойчивость величина возможного морозного пучения определяется по формуле
l пуч = l пуч ср К УГВ К ПЛ К ТР К нагр К вл ,
(3.2)
где l пуч ср – величина морозного пучения при осреднённых условиях.
При глубине промерзания дорожной конструкции Z пр до 2 м l пуч ср устанавливают по графикам (рис. 3.1) в зависимости от толщины дорожной одежды, группы грунта по степени пучиности (табл. 3.1) и глубины промерзания
Z пр .
Глубину промерзания дорожной конструкции при отсутствии натурных
наблюдений определяют по формуле
Z пр = 1,38Z пр( ср ) ,
(3.3)
где Z пр( ср ) – средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (рис. 3.2).
При глубине промерзания дорожной конструкции от 2 до 3 м lпуч(ср) вычисляют по формуле
l пуч ср = l пуч ср 2 а + в z пр − с ,
(3.4)
[
(
)]
где l пуч ср 2 – величина морозного пучения при Z пр = 2 м (рис. 3.1),
а=1,0; b=0,16; c=2,0 при 2,0< Z пр <2,5;
a=1,08; b=0.08; c=2,5 при 2,5< Z пр <3,0;
К УГВ - коэффициент, учитывающий влияние расчётной глубины
уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод (рис. 3.3); при
отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод
следует принимать: для супеси тяжёлой, пылеватой и суглинка К УГВ =0,53;
для песка и супеси лёгкой и крупной К УГВ =0,43;
К ПЛ - коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (табл. 3.2);
К гр - коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического
состава грунта основания насыпи или выемки (табл. 3.3);
К нагр - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от расчётной влажности грунта (рис. 3.4);
К вл - коэффициент, зависящий от расчётной влажности грунта
(табл. 3.4).
Таблица 3.1.
Группы грунтов по степени пучинистости (СНиП 2.05.02- 85, прил. 2
табл.7)
Грунт
Песок гравелистый, крупный и средней крупности с содержанием частиц
мельче 0,05 до 2 %
Песок гравелистый, крупный, средний и мелкий с содержанием частиц
мельче 0,05 до 15 %; супесь лёгкая
крупная
Супесь лёгкая; суглинок лёгкий и тяжёлый, глины
Песок пылеватый; супесь пылеватая;
суглинок тяжёлый пылеватый
Супесь тяжёлая пылеватая; суглинок
лёгкий пылеватый
Группа
I
II
III
IV
V
Таблица 3.2
Значения коэффициентов Кпл для различной степени уплотнения грунта
Кпл
Коэффициент упПесок пылеватый, супесь лёг- Пески кроме пылевалотнения Купл
кая и пылеватая, суглинки, глитых, супесь лёгкая
ны
крупная
1,03-1,00
0,8
1,0
1,01-0,98
1,0
1,0
0,97-0,95
1,2
1,1
0,94-0,90
1,3
1,2
Менее 0,90
1,5
1,3
Таблица 3.3
Коэффициент Кгр для различных грунтов
Грунт
Кгр
Пески
1,0
Супеси
1,1
Суглинки
1,3
Глины
1,5
Таблица 3.4
Значения коэффициентов Квл в зависимости от влажности грунта
Относительная влажность
0,6 и менее
0,7
0,8
0,9
W/WT
Kвл
1,0
1,1
1,2
1,3
Рассчитанная по формуле (3.2) возможная величина морозного пучения
l пуч сравнивается с её допускаемым значением l доп . Если при расчётном
сроке службы до 10 лет полученная величина l пуч будет превышать l доп , а
при сроке службы более 10 лет будет превышать 80 % от l доп , необходимо
рассмотреть вариант устройства морозозащитного слоя. В этом случае предварительно определяют ориентировочно требуемую толщину морозоустойчивой конструкции дорожной одежды. Для этого, зная допустимую величину
морозного пучения l доп , рассчитывают среднюю величину морозного пучения l пуч ср , используя формулу (3.2)
l доп
.
(3.5)
К УГВ К ПЛ К гр К нагр К вл
Затем по графику (рис. 3.1) в соответствии с группой грунта по степени
пучинистости определяют толщину морозоустойчивой дорожной одежды
hод .
Уточненный расчёт толщины морозозащитного слоя ( h мз ) выполняют
по термическому сопротивлению конструкций по формуле
h мз = λ мз Rтр − R p ,
(36)
l пуч ср =
(
)
где λ мз – коэффициент теплопроводности морозащитного слоя, равный
среднеарифметическому значению коэффициентов теплопроводности материала слоя в талом и мёрзлом состоянии, Вт/мК (табл. 3.5);
R тр - требуемое в данных условиях термическое сопротивление
дорожной одежды, м2К/Вт;
R p - термическое сопротивление рассматриваемой конструкции
дорожной одежды, м2К/Вт.
Требуемое термическое сопротивление дорожной одежды определяют
по формуле:
Rтр = Rпр К од К увл δ ,
где R пр – приведённое термическое сопротивление;
(3.7)
К од - коэффициент, учитывающий срок службы дорожной одежды
между капитальными ремонтами (табл. 3.6);
К увл - 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. 3.7 (схемы увлажнения
приведены в табл. 3.8);
δ - понижающий коэффициент, принимаемый для дорожно - климатических подзон II1, II3 равным 1,0; для II2 – 0,95; для III дорожно – климатической зоны – 0,9; для IV-0,85.
Таблица 3.5
Теплофизические характеристики конструктивных слоёв из различных
дорожно – строительных материалов
Плотность Коэффициент теплопроводМатериал, грунт
ρ , кг/м3
ности λ , Вт/(мК)
1
2
4
Асфальтобетон горячий плотный
2400
1,40
То же, высокопористый, в том 2200-1900
1,10-1,00
числе битумопесчаная смесь (ТУ
218 РСФСР)
Гравий (щебень) с лёгкими за2000
0,52
полнителями, обработанные вязким битумом
Супесь, укреплённая 10 % -ной 1700-1900
1,456
эмульсией
Цементобетон
2400
1,74
Песок разномерный, укреплён2100
1,86
ный 6-10 % цемента
Песок мелкий, одномерный, ук2100
1,62
реплённый 10 % цемента
Шлакобетон
1600
0,58
Суглинок, укреплённый 6-12 % 1750-1900
1,45
цемента
Супесь, укреплённая 8-10 % це- 1700-1900
1,51
мента
Шлак топочный
800
0,46
Щебень из гранита
1800
1,86
Гравий
1800
1,86
Песок крупный талый
2000
1,74
То же, мёрзлый
2000
2,32
Песок средней крупности, талый
1950
1,91
То же, мёрзлый
1950
2,44
Окончание таблицы 3.5
1
Песок мелкий, талый
То же, мёрзлый
Песок пылеватый талый
То же, мёрзлый
Супесь талая
То же, мёрзлая
Суглинок и глина талые
То же, мёрзлые
Одномерный гранитный щебень, обработанный вязким битумом
Гравийно – песчаная смесь
Гравийно – песчаная смесь, укреплённая 10 % цемента
2
3
1850
1850
1750
1750
2100
2100
2000
2000
1850
1,91
2,32
1,80
2,20
1,80
2,03
1,62
1,97
1,28
2000
2000
2,10
2,02
Таблица 3.6
Значения коэффициентов, учитывающих срок службы дорожной одежды
№ изолинии на карте (рис. 3.6)
I-II
III- X
Значение коэффициента Код при сроке службы дорожной одежды между
капитальными ремонтами
Менее 10
10 лет
20 лет
лет
0,70
0,85
1,0
0,80
0,90
1,0
Таблица 3.7
Значения коэффициента увлажнения Кувл при первой схеме увлажнения
рабочего слоя земляного полотна
Значение коэффициента Кувл при пер№ изолинии на карте (рис. 3.6)
вой схеме увлажнения рабочего слоя
земляного полотна
I
0,85
II
0,65
III
0,55
IV
0,45
V
0,40
VI
0,35
VII
0,30
VIII
0,30
IX
0,25
X
0,25
Таблица 3.8
Характеристика схем увлажнения рабочего слоя земляного полотна
Схема увлажнения
рабочего
слоя
1
1
2
Источники
увлажнения
Условия отнесения к данному типу увлажнения
2
3
АтмоДля насыпей на участках 1 – го типа местности по
сферные условиям увлажнения.
осадки
Для насыпей на участках местности 2-го и 3-го типов по условиям увлажнения при возвышении поверхности покрытия над расчётным уровнем грунтовых и поверхностных вод или над поверхностью земли, более чем
в 1,5 раза превышающим требования табл. 3.9
Для насыпей на участках 2-го типа при расстоянии
от уреза поверхностной воды (отсутствующей не менее 2/3
летнего периода) более 5-10 м при супесях; 2- 5 м при лёгких пылеватых суглинках и 2 м при тяжёлых пылеватых
суглинках и глинах (меньшие значения следует принимать
для грунтов с большим числом пластичности; при залегании различных грунтов – принимать большие значения).
В выемках в песчаных и глинистых грунтах при уклонах кюветов более 20 ‰ (в I – III дорожно – климатических зонах) и при возвышении поверхности покрытия над
расчётным горизонтом грунтовых вод более чем в 1,5 раза
превышающем требования табл. 3.9.
При применении специальных методов регулирования водно – теплового режима (капилляропрерывающие и
армирующие прослойки, дренаж и т.п.), назначаемых по
специальным расчётам.
КраткоДля насыпей на участках 2-го типа местности по усвремен- ловиям увлажнения при возвышении поверхности покрыно стоя- тия не менее требуемого по табл. 3.9 и не более чем в 2
щие (до раза превышающем эти требования и при крутизне отко30 сут.) сов не менее 1:1,5 и простом (без берм) поперечном проповерх- филе насыпи.
ностные
Для насыпей на участках 3-го типа местности при
воды,
применении специальных мероприятий по защите от грунатмотовых вод (капилляропрерывающие слои, дренаж), назнасферные чаемых по спец. расчётам, отсутствии длительно (более 30
сут.) стоящих поверхностных вод и выполнении условий
Окончание таблицы 3.8
1
3
2
осадки
3
предыдущего абзаца.
В выемках в песчаных и глинистых грунтах при уклонах кюветов менее 20 ‰ (в I, II зонах) и возвышении
поверхности покрытия над расчётным уровнем грунтовых
вод более чем в 1,5 раза превышающем требования
табл. 3.9.
ГрунтоДля насыпей на участках 3-го типа местности по усвые или ловиям увлажнения при возвышении поверхности покрыдлития, отвечающем требованиям табл. 3.9, но не превышающем их более чем в 1,5 раза.
тельно
То же, для выемок, в основании которых имеется
(более
30 сут.) уровень грунтовых вод, расположение которого по глубистоящие не не превышает требований табл. 3.9 более чем в 1,5 раза.
поверхностные
воды;
атмосферные
осадки
Таблица 3.9
Наименьшее возвышение поверхности покрытия
Наименьшее возвышение поверхности покрытия, м, в пределах дорожно–
Грунт рабочего слоя
климатических зон
II
III
IV
V
Песок мелкий, супесь лёгкая круп1,1/0,9 0,9/0,7 0,75/0,55 0,5/0,3
ная, супесь лёгкая
Песок пылеватый, супесь пылеватая 1,5/1,2 1,2/1,0
1,1/0,8
0,8/1,5
Суглинок лёгкий, суглинок тяжёлый,
2,2/1,6 1,8/1,4
1,5/1,1
1,1/0,8
глины
Супесь тяжёлая пылеватая, суглинок
лёгкий пылеватый, суглинок тяжё2,4/1,8 2,1/1,5
1,8/1,3
1,2/0,8
лый пылеватый
Примечание. 1 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.
Приведённое термическое сопротивление определяется с помощью ноl
мограммы (рис. 3.5) методом интерполяции через отношение доп (гориспучс р
зонтальная ось номограммы). Значения с пуч и с р определяют соответственно по табл. 3.10 и 3.11.
Таблица 3.10
№ изолиЗначение показателя Спуч для грунтов
нии на
пучинисильнопучичрезмернопукарте
слабопучинистых
стых
нистых
чинистых
(рис. 3.5)
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 с помощью табл. 3.1 и 3.12.
Таблица 3.11
Грунт земляного полотна
Песок пылеватый
Супесь
лёгкая
Супесь пылеватая
Суглинок
лёгкий,
суглинок
лёгкий пылеватый
Суглинок
тяжёлый,
суглинок
тяжёлый
пылеватый,
глина
Значение коэффициента Ср в зависимости от толщины дорожной одежды
(hод, м) и допустимой глубины промерзания (hпр(доп), см)
hод=0,5
hод=1,0
hод=1,5
hод=2,0
hпр(доп)
hпр(доп)
hпр(доп)
hпр(доп)
51>100
0-100
>100
0-100
>100
0-100
>100
0-50
100
0,60
0,55
0,5
0,5
0,45
0,45
0,40
0,40
0,35
0,70
0,65
0,6
0,6
0,55
0,55
0,5
0,5
0,45
0,75
0,70
0,65
0,65
0,60
0,60
0,55
0,55
0,50
0,80
0,75
0,70
0,70
0,65
0,65
0,60
0,60
0,55
0,85
0,80
0,75
0,75
0,70
0,70
0,65
0,65
0,60
Таблица 3.12
Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании
(СНиП 2.05.02-85, прил.2 табл. 6).
Группы грунтов по пуОтносительное морозСтепень пучинистости
чинистости
ное пучение
I
Непучинистый
1 и менее
II
Слабопучинистый
Свыше 1 до 4
III
Пучинистый
Свыше 4 до 7
IV
Сильнопучинистый
Свыше 7 до 10
V
Чрезмернопучинистый
Свыше 10
При глубине залегания подземных вод Н γ на участке дороги, отличающейся от указанных на номограмме, нужно определить два значения
R np . Одно – при значении Н γ на номограмме более, а другое – при значении
Н γ на номограмме менее данного. Искомое значение R np устанавливают
методом интерполяции.
Требуемое термическое сопротивление дорожной одежды определяют
в зависимости от номера изолинии на карте (рис. 3.6), соответствующей географическому положению рассматриваемой дороги. При расположении дороги между изолиниями определяют два значения R mp и вычисляют два значения h мз , соответствующих этим изолиниям. Искомую толщину морозозащитного слоя определяют методом интерполяции в зависимости от расстояния от рассматриваемого участка дороги до соседних изолиний.
Термическое сопротивление дорожной одежды вычисляют по формуле:
n h
Rp = ∑ i ,
(3.8)
i =1 λi
где n – число конструктивных слоёв дорожной одежды без морозозащитного слоя;
hi - толщина i–го слоя, м;
λi - коэффициент теплопроводности материала i–го слоя в мёрзлом
состоянии, Вт/мК.
После завершения расчёта толщины морозозащитного слоя по формуле
(3.6) сравнивают полученное значение h мз с предварительно назначенной.
Разница не должна быть более 5 см. В противном случае расчёт повторяют.
4 Пример расчёта нежёсткой дорожной одежды переходного типа
Исходные данные: район расположения дороги - Московская область
(II дорожно – климатическая зона); категория автомобильной дороги III в; заданный срок службы дороги- 6 лет; число рабочих дней в году, при которых
возможно накопление остаточных деформаций – 112; объём вывозки древесины в неморозный период – 70 тыс. м3; высота насыпи запроектирована с
отметками 1,5 м, тип увлажнения – III, глубина залегания грунтовых вод – 0,6
м, покрытие из щебня, устроенного методом заклинки; автопоезд МАЗ5434+ГКБ9383-011; заданная надёжность Кн=0,8; грунт земляного полотна супесь пылеватая.
4.1 Расчёт дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу
1 Определяем фактическую суточную интенсивность движения по грузовой полосе дороги за расчётный период
QP
70000
N=
=
= 25авт / сут.
T рдг Q пол 112 ⋅ 25
2 Определяем приведённую расчётную интенсивность движения
N p = NS сум = 25 ⋅ 3,47 = 87авт / сут.
Значение S сум принято по табл.2.3. для гружёного автопоезда.
3 Определяем суммарное число приложений расчётной нагрузки к точке на поверхности дороги за срок службы дорожной одежды
K
∑ N p = 0.7 N p ( Т слc−1 ) Т рдг k п .
q
Принято: q=1, Кc=6,0 (табл. 2.6); kп=1,16 (табл. 2.6); Трдг=112.
∑ N p = 0,7 ⋅ 87 ⋅ 6 ⋅ 112 ⋅ 1,16 = 47473 авт.
4 Определяем величину минимального требуемого модуля упругости
дорожной конструкции
Е тр = 98,65 lg ∑ N p − 350 ,21 = 98,65 lg 47473 − 350,21 = 111 МПа
5 По табл. 2.1 при Кн=0,85 коэффициент прочности по критерию упругого прогиба Кпр=1,06.
Общий расчётный модуль упругости дорожной одежды
Е общ = К пр Е тр = 1,06 ⋅ 111 = 118 МПа
6 По табл. 2.8 определяем относительную среднюю влажность грунта
Wcp = 0 ,72WT .
Расчётная относительная влажность
W p = Wcp (1 + tγ w ) = 0 ,72(1 + 1,06 ⋅ 0 ,1) = 0 ,8WТ .
Значения t=1,06 (табл. 2.9).
7 В зависимости от расчётного значения влажности грунта по табл.
2.10 назначаем модуль упругости грунта земляного полотна (супеси пылеватой) Егр=32 МПа.
8 Принимаем двухслойную дорожную одежду с минимальной толщиной покрытия h1=15 cм и основанием из гравийно – песчаной смеси с модулем упругости 180 МПа.
′
9 Определяем необходимый общий модуль упругости Е общ
на поверхности основания
2.11);
Е общ 118
h1 0 ,15
=
= 0 ,41;
=
= 0 ,34.
D 0 ,37
Е1
350
Здесь Е1 – модуль упругости материала покрытия, Е1=350 МПа (табл.
D - диаметр следа колеса движущегося расчётного автомобиля D =0,37
(табл. 2.2).
На номограмме (рис. 2.1) восстанавливаем перпендикуляр из точки на
h
оси абсцисс с отметкой 1 =0,41 до пересечения с кривой с цифрой 0,34. От
D
полученной точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось ординат и
′
Е общ
получаем точку, которой соответствует отношение
=0,21.
Е1
′
Отсюда Е общ
= 0 ,21 ⋅ Е1 = 0 ,21 ⋅ 350 = 73 МПа.
10 Находим толщину h2 гравийного слоя основания. Для этого вычисляем отношения
′
Е общ
73
=
= 0 ,4 (цифра на кривых номограммы),
Е2
180
Е гр
32
=
= 0 ,18 (вертикальная шкала номограммы).
Е 2 180
На номограмме восстанавливаем перпендикуляр к оси ординат в точке
с отметкой 0,18 до пересечения с кривой, имеющей отметку 0,4. Из полученной точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и получаем
h2 / D =0,73,
откуда
точку,
которой
соответствует
отношение
h2=0,73ּ0,37=0,26 м. Принимаем слой износа из грунтощебня марки И-1 при
годовом объёме вывозки древесины 175 тыс. м3 толщиной 3 см (табл.1.1).
Общая
толщина
дорожной
одежды
с
учётом
слоя
износа
hобщ=0,15+0,26+0,03=0,44 м.
4.2 Расчёт дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости в
подстилающем грунте земляного полотна.
1 Дорожную одежду приводим к двухслойной расчётной модели, в которой в качестве нижнего слоя принимаем грунт земляного полотна, а в качестве верхнего – всю дорожную одежду. Средний модуль упругости дорожной
одежды
Е h + Е 2 h2 350 ⋅ 0 ,15 + 180 ⋅ 0 ,26
Е ср = 1 1
=
= 242 МПа.
h1 + h2
0 ,15 + 0 ,26
Относительная толщина дорожной одежды
∑ hв = 0,41 = 1,11
D
0 ,37
2 По номограмме (рис. 2.2) при относительной толщине дорожной
E cp 242
одежды 1.11, отношении модулей упругости
=
= 7.6 , угле внутренE гр
32
него трения грунта ϕ = 15 o (табл. 2.12 при
∑ N p =47473 и W p = 0.8WT ) нахо-
дим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки τ н =0,035
3 Определяем расчётное активное напряжение сдвига от временной нагрузки
Т = τ н р = 0 ,035 ⋅ 0 ,6 = 0 ,0246 МПа.
4 Вычисляем допускаемое (предельное) активное напряжение сдвига в
грунте рабочего слоя земляного полотна по формуле
Т пр = С N k д + 0 ,1γ ср z оп tgϕ ст ,
где СN=0,0045 МПа (табл. 2.12 при
∑ N p =47473
и W p = 0.8WT );
k д = 1, γ ср = 0 ,0019 кг / см 3 ; z оп = 41 см; ϕ ст = 340 (табл. 2.12)
Т пр = 0 ,0045 + 0 ,1 ⋅ 0 ,0019 ⋅ 41 ⋅ tg 340 = 0 ,01 МПа
5 Проверяем выполнение условия прочности
Tnp
0 ,01
K np =
=
= 0 ,41
T
0 ,0246
Требуемый коэффициент прочности по критерию сдвига при заданной
надёжности Кн=0,8 равен 0,87 (табл. 2.1). Рассчитанный коэффициент прочности меньше требуемого, что свидетельствует о необеспеченности сдвигоустойчивости подстилающего грунта земляного полотна при назначенной
конструкции дорожной одежды.
Вводим в конструкцию дорожной одежды дополнительный слой основания толщиной 0,20 м из среднезернистого песка с модулем упругости
Е 3 =120 МПа и произведём расчёт новой дорожной конструкции по сдвигу в
грунте земляного полотна.
Е ср =
350 ⋅ 0 ,15 + 180 ⋅ 0 ,26 + 120 ⋅ 0 ,20
= 202 МПа;
0 ,61
Е ср 202
=
= 6 ,32;
Е гр
32
∑ h = 0,61 = 1,65;
D
0 ,37
τ н = 0,024 МПа; Т = 0 ,024 ⋅ 0 ,6 = 0 ,0144 МПа;
0 ,0127
К пр =
= 0 ,88 , что больше требуемого К пр =0,87
0 ,0144
Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по
сдвигу в грунте.
4.3 Расчёт дорожной конструкции по условию сдвигоустойчивости
в песчаном слое основания
Дорожную одежду приводим к двухслойной модели, в которой толщина верхнего слоя составляет величину hв = h1 + h2 = 0 ,15 + 0 ,26 = 0 ,41 м, а его
средний модуль упругости равен Е в =242 МПа.
За модуль упругости нижнего слоя принимают общий модуль упруго′′ , который определяем по номости на поверхности песчаного слоя Е общ
грамме (рис.2.1) при следующих соотношениях:
Е гр 3,2
h3
0 ,2
=
= 0 ,27;
=
= 0 ,54 ;
Е 3 120
D 0 ,37
′′ = 0 ,51 ⋅ 120 = 61,2 МПа; Е н = Е общ
′′ = 61 МПа.
Е общ
Угол внутреннего трения и сцепление для песчаного слоя принимаем
по табл. 2.14 ϕ ст = 32 o , ϕ N = 30 o , c N = 0,035 МПа.
E
h
242
41
По отношениям в =
= 1.11; при ϕ = 30 o с помо= 4.0; в =
Е н 61,2
D 37
щью номограммы (рис. 2.2) находим удельное активное напряжение сдвига
τ н =0,04.
Активное напряжение сдвига от временной нагрузки
Т = 0 ,04 ⋅ 0 ,6 = 0 ,024 МПа.
Предельное активное напряжение сдвига в песчаном слое
Т пр = k д (с N k д + 0,01γ ср Z оп tgϕ cт ) = 2(0,035 ⋅ 1,0 + 0,1 ⋅ 0,0019 ⋅ 41 ⋅ tg 32 o ) =0,08
МПа;
Т пр 0,08
K пр =
=
= 2,0 , что больше требуемого К пр = 0,87 .
Т
0,04
Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет всем критериям
прочности.
4.4. Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость
1 По карте (рис. 3.2) находим среднюю глубину промерзания Z пр( ср )
для условий Московской области и по формуле (3.3) определяем глубину
промерзания дорожной конструкции
Z пр = 1,38Z пр( ср ) = 1,38 ⋅ 1,4 = 1,93 м ≈ 2 м .
2 Для глубины промерзания 2 м по графику (3.1) по кривой IV для
сильнопучинистых грунтов и толщине дорожной одежды 41 см определяем
величину морозного пучения для осреднённых условий
l пуч( ср ) = 8 см.
По формуле (3.2) находим величину пучения для данной конструкции
l пуч( ср ) = l пуч( ср ) К УГВ К пл К гр К нагр К вл ,
где К УГВ = 0,68 при расстоянии низа дорожной одежды до уровня
грунтовых вод 1,5-0,61+0,6=1,49 м; К пл = 1,2 (табл. 3.2); К гр =1,1 (табл. 3.3);
К нагр = 0,92 (рис. 3.4); К вл = 1,2 (табл. 3.4).
l пуч = 8 ⋅ 0 ,68 ⋅ 1,2 ⋅ 1,1 ⋅ 0 ,9 ⋅ 1,2 = 7 ,8 см.
3 Для одежды переходного типа допустимая величина морозного пучения составляет 10 см. Следовательно, выбранная конструкция отвечает требованиям морозоустойчивости.
5 Пример расчёта нежёсткой дорожной одежды капитального типа
Исходные данные: район расположения дороги- Московская область (II
дорожно – климатическая зона); годовой грузооборот дороги – 600 тыс. м3;
расчётное число дней в году, при которых возможно накопление остаточных
деформаций –125; объём вывозки древесины за расчётный период – 240 тыс.
м3; тип автопоезда – КрАЗ-255Л+ГКБ9383. Грунт рабочего слоя земляного
полотна – супесь пылеватая: высота насыпи – 1,5 м; схема увлажнения рабочего слоя земляного плотна –III; надёжность К н =0,9; срок службы дорожной
одежды –20 лет; глубина залегания грунтовых вод – 1,1 м.
5.1 Расчёт дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу
1 Определяем фактическую суточную интенсивность движения по грузо4вой полосе дороги в расчётный период
Qp
240
N=
=
= 67 авт/сут.
T рдг ⋅ Qпол 125 ⋅ 28,5
2 Определяем приведённую расчётную интенсивность движения
N p = NS сум = 67 ⋅ 5,74 = 387 авт/сут,
где S сум =5,74 принято по табл. 2.3 для гружёного автопоезда.
3 Вычисляем суммарное число приложений расчётной нагрузки к точке
на поверхности дороги за срок службы дорожной одежды
Принято q=1; Kс=20; kn=1,38 (табл. 2.6).
∑ N p = 0,7 ⋅ 387 ⋅ 20 ⋅ 125 ⋅ 1,38 = 934605 .
4 Определяем величину минимального требуемого модуля упругости
дорожной конструкции
E тр = 98,65 lg ∑ N p − 350 ,21 = 98,65 lg 934605 − 350 ,21 = 239 МПа.
5 По табл. 2.1 при Кн=0,9 коэффициент прочности по критерию упругого прогиба Кпр= 1,1.
Общий расчётный модуль упругости дорожной одежды
Е общ = К пр Е тр = 1,1 ⋅ 239 = 263 МПа.
6 По табл. 2.8 определяем относительную среднюю влажность грунта
Wcp = 0 ,72WT .
Расчётная относительная влажность
W p = Wcp (1 + tγ ) = 0 ,72 + (1 + 1,32 ⋅ 0 ,1) = 0 ,82WT .
Значение t принято равным 1,32 при Кн =0,9 (табл. 2.9).
7 Определяем по табл. 2.10 модуль упругости земляного полотна Eгр=
30 МПа.
8 Предварительно назначаем конструкцию дорожной одежды и расчётные значения материалов дорожной одежды: (см.табл.5.1)
для расчёта по допускаемому упругому прогибу (см. табл. 2.10, 2.12);
для расчёта по условию сдвигоустойчивости ( см. табл. 2.11,2.12, 2.13);
для расчёта на сопротивление монолитных слоёв усталостному разрушения от растяжения при изгибе (см. табл. 2.15).
Таблица 5.1
Расчетные значения параметров материалов
Материал слоя
1
.
Асфальтобетон
плотный на БНД
60/90
Асфальтобетон пористый на БНД
60/90
h
слоя,
см
2
Расчётные значения параметров материалов
дорожной одежды при расчёте
По допусПо сдви- На растяжение при изтимому
гибе
гоустойупругому
чивости Е,
R0,
прогибу Е,
m
Е, МПа МПа МПа α
МПа
3
4
5
6
7
8
4
3200
1800
4500
9,8
5,2
5,5
6
2000
1200
2800
8,0
5,9
4,3
1
Асфальтобетон высокопористый
на
БНД 60/90
Гравийная смесь
Супесь пылеватая
W p =0,82WТ
Окончание табл. 5.1
5
6
7
8
2
3
4
14
2000
1200
2100 5,65
205
205
205
28
28
28
6,3
4,0
-
-
-
-
-
-
Расчёт можно вести по определению общего модуля упругости всей
конструкции дорожной одежды с последующим сравнением его с требуемым
при выбранных толщинах всех слоёв или на основе рассчитанного общего
модуля дорожной одежды определить толщину одного из слоёв, задаваясь их
величинами всех остальных слоёв.
9 При втором варианте расчёта определим толщину нижнего слоя основания из гравийной смеси.
Расчёт ведём послойно, начиная с покрытия.
′
Е общ
E общ
h1 4
263
1)
=
= 0 ,082;
=
= 0 ,11;
= 0 ,07 (по номограмме
Е1
3200
D 37
Е1
′
рис. 2.1); Е общ
= 0 ,07 ⋅ 3200 = 224 МПа.
′ – общий модуль упругости на поверхности второго слоя, мПа.
Е общ
′
Е общ
′′
E общ
h2
224
6
=
= 0 ,11;
=
= 0 ,162;
= 0 ,08;
2)
Е2
2000
D 37
Е2
′′ = 0 ,08 ⋅ 2000 = 160 МПа.
Е общ
′′ – общий модуль упругости на поверхности 3-го слоя
Е общ
′′′
E общ
h3 14
160
= 0 ,08;
=
= 0 ,38;
= 0 ,04;
Е3
2000
D 37
Е3
′′′ = 0 ,04 ⋅ 200 = 80 МПа.
Е общ
′′′
Е гр
Е общ
h
28
80
4)
=
= 0 ,14;
=
= 0 ,39; 4 = 0 ,9; h4 = 0 ,9 ⋅ 37 = 33 см.
D
Е 4 205
Е4
205
3)
′′′
Е общ
=
5.2 Расчёт дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости в
грунте земляного полотна
1 Дорожную одежду приводим к двухслойной расчётной модели.
В качестве нижнего слоя модели принимаем грунт (супесь пылеватая)
со следующими характеристиками: (при W p = 0 ,82WT и ∑ N p = 934605 )
ϕ = 11o , C N = 0,003 МПа (табл. 2.12 при W p = 0 ,82W и
авт.), Е гр = 28 МПа.
∑Np
= 100910
Модуль упругости верхнего слоя вычисляем по формуле 2.13, где значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее,
назначаем по табл. 2.12 при расчётной температуре +20°С для II дорожно –
климатической зоны.
1800 ⋅ 4 + 1200 ⋅ 6 + 1200 ⋅ 14 + 205 ⋅ 33
Ев =
= 666 МПа
57
h
57
= 1,54 .
Относительная толщина дорожной одежды в =
D 37
h
E
666
2 По номограмме (рис. 2.3) при в = 1,54 , в =
= 23,8 и ϕ = 11o наD
Eн
28
ходим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки
τ н =0,013. Активное напряжение от временной нагрузки
Т = τ p = 0 ,013 ⋅ 0 ,6 = 0 ,0078 МПа.
3 Вычисляем допускаемое (предельное) активное напряжение сдвига в
грунте рабочего слоя земляного полотна по формуле
Tnp = C N k g + 0 ,4γ cp Z on tgϕ cт ,
где ϕ ст = 34 o (табл. 2.12), k д = 1, γ ср = 0 ,0021 кг / см 3 , Z on = 57 см.
Tnp = 0 ,003 ⋅ 1 + 0 ,1 ⋅ 0 ,0021 ⋅ 57 ⋅ tg 34 o = 0 ,0111 МПа
4 Проверяем выполнение условия прочности
Tnp 0,0111
K np =
=
= 1,42.
T
0 ,0078
Требуемый коэффициент прочности по критерию сдвига при заданной
надёжности К н = 0,9 равен 0,94.
Рассчитанный коэффициент прочности больше требуемого, что свидетельствует об обеспеченности сдвигоустойчивости подстилающего грунта
земляного полотна.
5.3 Расчёт дорожной конструкции на сопротивление монолитных
слоёв усталостному разрушению от растяжения при изгибе
1 Приводим многослойную конструкцию дорожной одежды к двухслойной модели. К верхнему слою модели относятся все асфальтобетонные
слои, а к нижнему – основание из гравийной смеси и грунт рабочего слоя
земляного полотна. Модуль упругости верхнего слоя
4500 ⋅ 4 + 2800 ⋅ 6 + 2100 ⋅ 14
Ев =
= 2675 МПа.
24
Модули упругости асфальтобетонных слоёв назначены по табл. 3.15.
′′′ = 80 МПа.
Модуль упругости нижнего слоя Е н = Е общ
h
Е
24
2675
2 По отношениям в =
= 0 ,65 и в =
= 33,4 определяем по ноD 37
Ен
80
мограмме (рис. 2.4) σ r = 1,35 МПа.
Расчётное растягивающее напряжение
σ r = σ r pk в = 1,35 ⋅ 0,6 ⋅ 1 = 0,81 МПа.
3 Вычисляем предельное растягивающее напряжение для материала
нижнего слоя асфальтобетонного покрытия по формуле
R N = R0 k1k 2 (1 − γ t ) ,
Ro = 5,65 МПа (табл. 2.15); при K н = 0 ,9 t=1,32 (табл. 2.9); γ = 0 ,1;
k 2 =0,8; k1 =
k1 =
α
m∑Np
6 ,3
m 934605
, α = 6 ,3; m = 4 (табл. 2.15);
= 0 ,203
R N = 5,65 ⋅ 0 ,203 ⋅ 0 ,8 ⋅ (1 − 0 ,1 ⋅ 1,32) = 0 ,8 МПа.
4 Проверяем выполнение условие прочности
Rн
0 ,8
=
= 0 ,99 , что больше требуемого К пр = 0 ,94.
σ Г 0,81
Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет всем критериям
прочности.
5.4 Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость
1 По карте (рис. 3.2) находим среднюю глубину промерзания Z пр( ср )
для условий Московской области и по формуле (3.3) определяем глубину
промерзания дорожной конструкции
Z пр = 1,38Z пр( ср ) = 1,38 ⋅ 1,4 = 1,93 ≈ 2 м.
2 Для глубины промерзания 2 м по номограмме (рис.3.1) по кривой для
сильнопучинистых грунтов определяем величину морозного пучения для осреднённых условий
l пр( ср ) = 8,5 см.
По формуле (3.2) находим величину пучения для данной конструкции
l пуч = l пуч( ср ) КУГВ К пл К гр К нагр К вл ,
где КУГВ = 0,62 (рис. 3.3); К пл = 1,2 (табл. 3.2); К гр = 1,1 (табл. 3.3);
К нагр = 0,92 (рис. 3.4); К вл = 1,22 (табл. 3.4);
l пуч = 8,5 ⋅ 0 ,62 ⋅ 1,2 ⋅ 1,1 ⋅ 0 ,92 ⋅ 1,22 = 7 ,8 см
3 Поскольку для данного типа дорожной одежды допустимая величина
морозного пучения составляет 4 см, следует назначить морозозащитный
слой и выполнить расчёт его толщины. Предварительно ориентировочно определяем необходимую толщину морозозащитного слоя при допустимой величине морозного пучения 4 см,
Для этого определяем величину морозного пучения для осреднённых
условий, при которой морозное пучение для данной конструкции не превышает 4 см.
l доп
4
l пуч =
=
= 4 ,34 см.
К УГВ К пл К гр К нагр К вл 0 ,62 ⋅ 1,2 ⋅ 1,1 ⋅ 0 ,92 ⋅ 1,22
4 По графику (рис. 3.1) определяем требуемую толщину дорожной одежды hод = 1,07 м, отсюда толщина морозозащитного слоя h мрз =1,07-0,57=0,5
м.
5 Для уточнения требуемой толщины морозозащитного слоя выполняем расчёты с учётом теплофизических характеристик отдельных слоёв (табл.
3.5). Толщину морозозащитного слоя назначаем из среднезернистого песка
толщиной 0,63 м.
Поскольку в период промерзания дорожной конструкции песок находится сначала в талом, а затем в мёрзлом состоянии, в расчёт вводят среднеарифметическое значение коэффициентов теплопроводности λТ и λ м (табл.
5.2)
6 Определим термическое сопротивление дорожной одежды без морозозащитного слоя
n
0 ,04 0 ,06 0 ,14 0 ,33
R p = ∑ hод( i ) / λ од( i ) =
+
+
+
= 0 ,37 .
(м2К/Вт)
1,40 1,25 1,05 2 ,10
i =1
Таблица 5.2
Коэффициенты теплопроводности материалов
Материал
Плотный асфальтобетон
Пористый асфальтобетон
Высокопористый
асфальтобетон
Гравийная смесь
Среднезернистый
песок
Толщина
слоя hод , м
Коэффициент теплопроводности λ од ,
Вт/мК
0,04
1,40
0,06
1,25
0,14
1,05
0,33
2,10
0,50
λ ср = (λ м + λТ ) / 2 = (2,44 + 1,91) / 2 = 2,18
7 По табл. 3.10 для номера изолинии V (рис. 3.5) находим C пуч =1,35
(для сильнопучинистого грунта).
8 По табл. 3.11 при общей толщине дорожной одежды 1,07 м для супеси пылеватой определяем С р =0,643.
9 Вычисляем отношение
l доп
4
=
= 4 ,59 см.
С пуч С р 1,35 ⋅ 0 ,64
10 По номограмме (рис. 3.4) Rпр = 0 ,62 м2К/Вт.
11 По формуле (3.7) определяем требуемое термическое сопротивление
дорожной одежде
Rтр = Rпр К од К увл δ ,
К од = 1,0 (табл. 3.6); К увл = 1,0 (при 3-ей схеме увлажнения рабочего
слоя земляного полотна); δ = 0 ,95 (для дорожно – климатической зоны II2)
Rтр = 0 ,7 ⋅ 1,0 ⋅ 1,0 ⋅ 0 ,95 = 0 ,59 м2К/Вт
12 Толщина морозозащитного слоя
h мз = λ мз R тр − R p = 2 ,18 ⋅ (0 ,59 − 0 ,37 ) = 0 ,48 м.
13 Поскольку разница между полученным и принятыми значениями
h мз не превышает 5 см, принимаем h мз =0,5 м.
(
)
пр
Предельный коэффициент разрушения К р
Заданная надёжность Кн
Требуемый коэфУпругого прогиба
фициент прочнопр
Сдвига и растяжения при
сти К р
изгибе
Тип дорожной одежды
Категория дороги
пр
Предельный коэффициент разрушения К р
Заданная надёжность Кн
Требуемый коУпругого прогиба
эффициент прочпр
Сдвига и растяжения при
ности К р
изгибе
Тип дорожной одежды
Категория дороги
пр
Предельный коэффициент разрушения К р
Заданная надёжность Кн
Требуемый коэффициент прочноУпругого прогиба
пр
сти К р
Тип дорожной одежды
Категория дороги
1,30
1,00
1,50
1,10
1,10
0,94
1,17
1,00
1,10
1,10
0,90
1,17
1,29
0,90
1,10
1,38
0,98
0,05
0,95
0,95
0,98
III
0,95
0,98
I
II
1,06
0,85
IV
1,00
1,17
0,95
1,00
1,20
0,95
1,00
1,17
0,95
0,90
1,06
0,85
1,02
1,13
0,95
Переходный
0,94
1,10
0,90
Облегчённый
IV
0,80
1,10
1,29
0,98
Капитальный
III
0,87
1,02
0,80
0,94
1,10
0,90
1,06
0,90
1,00
1,13
0,95
1,00
1,17
0,95
0,10
V
0,98
0,80
V
0,94
1,06
0,90
0,94
1,10
0,90
IV
0,87
0,98
0,80
0,90
1,06
0,85
0,90
0,70
0,80
0,90
0,70
0,87
1,02
0,80
Приложение А
Требуемые минимальные коэффициенты прочности при заданных уровнях надёжности для расчёта дорожных
одежд по различным критериям прочности для дорог общего пользования
Заложных Виктор Михайлович
Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд
Методические указания к лабораторным и практическим занятиям для
студентов специальностей 260100 и 240400
С.Г.Герасименко
Подписано в печать 17.09.03. Редактор Формат 60х84 1/16. Объем 3,7 п.л.
Усл. п.л 3,4 Уч.-изд. л 4.4. Тираж 140 экз.
Воронежская государственная лесотехническая академия РИО ВГЛТА,
397613 г. Воронеж, ул. Тимирязева,8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
31
Размер файла
406 Кб
Теги
одежда, дорожные, заложных, конструирование, расчет, нежестких
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа