авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

«А.В. СМИРНОВ РАСЧЕТ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ НА ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ Монография Омск 2012 ...»

-- [ Страница 2 ] --

Черниговым и другими сотрудниками в СоюздорНИИ [7]. При расчете температурных напряжений по этой методике учтем еще изменения деформативных свойств грунтовых оснований дорожных конструкций, связанные с их переменным увлажнением.

Рассмотрим для примера работу в течение года дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием в условиях климата Омской области. Важнейшими факторами для определения общей несущей способности конструкции служат температура покрытия и влагосодержание в грунте земляного полотна. Обычно относительная влажность грунта W/Wt колеблется от 0,4 до 0,9, что приводит к соответствующим колебаниям динамического модуля упругости грунта от 180 до 50 МПа ([25, рис.8], изменение влагосодержания и модуля грунтов обозначено кривыми W/Wt и Е cp ). При этом связь между модулем динамической упругости и относительной влажностью в грунтах W/Wt установлена по опытам А.М. Шака (рис.

9.8).

Как следует из многочисленных опытов, промерзание суглинистого грунта земляного полотна в зимний период приводит к значительному увеличению его модуля упругости (до 500 МПа). Это одна из причин уменьшения прогибов и напряжений от транспорта (кривые U, r) в зимний период (см. рис. 9.8).

Второй причиной, приводящей к изменению общих динамических прогибов и напряжений, является изменение модуля динамической упругости асфальтобетонного покрытия при различных температурах cp (кривые E1, Tср). Эти величины находятся в четкой корреляционной связи.

Отклонение температур покрытия от средних (пунктирные линии) приводит к соответственному колебанию значения модуля упругости. В теплый период значение динамического модуля упругости наименьшее (1–2 тыс. МПа), в холодный же период модуль может достигать 25000 МПа и асфальтобетон становится хрупким.

Если в теплое время суточные колебания температур не опасны с точки зрения сплошности покрытия, так как возникающие напряжения релаксируются вследствие ползучести, то в холодное время релаксационная способность асфальтового бетона снижена, что вызывает температурные напряжения (см. рис. 9.8, кривые 1 и 2 для толщин покрытий 10 и 20 см). При температурных напряжениях, которые превзойдут предел прочности на растяжение, возникает поперечная трещина и температурные напряжения растяжения существенно снижаются (см. рис. 9.8, кривая 3).

Рис. 9.8. Изменение динамического напряженного состояния дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием в течение года Методика расчета температурных напряжений и их повторяемости подробно дана в рекомендациях СоюздорНИИ [7].

Здесь мы только отметим, что в результате сложения напряжений изгиба от транспорта r с температурными t покрытие испытывает сложный динамический режим нагружения в течение года (кривая t + r). Ему присущ импульсный характер с частотой f = 1/t1, продолжительностью t0 в летнее время и в основном постоянный характер – в зимний период.

Если величина напряжений при изгибе от расчетного транспорта в летний период достигает для покрытия толщиной 20 см 1,1 МПа при скорости грузовика до 60 км/ч, то зимой – лишь 0, МПа, хотя температурные напряжения возрастают до 2,4 МПа.

Следует также отметить, что в летний период напряжения при изгибе разнозначны, но и равны по величине;

осенью и весной – равнозначны и не равны (коэффициент асимметрии = 0,8). Зимой напряжения однозначны, но не равны ( = 0,9). В летний, осенний и весенний периоды коэффициент прочности по растягивающим напряжениям равен 0,7-0,85, а зимой достигает 1,0, так как появляются трещины. Импульсный режим нагружения покрытий дорожных конструкций не постоянен в течение суток (рис. 9.9).

Например, при колебании за это время температур покрытия от +10 до +30 С модуль упругости асфальтобетонного покрытия меняется от 600 до 2500 МПа. Это вызывает колебания напряжений в покрытии от 0,8 до 1,2 МПа при проезде одного и того же автомобиля, а также изменение динамических прогибов от 0,3 до 0, мм. Допускаемые напряжения на растяжение при изгибе || зависят от температуры покрытия, но коэффициент прочности по растягивающим напряжениям К = r/|| может остаться постоянным в течение суток, если равно будут изменяться температурные напряжения.

Несколько отличающийся режим динамического напряженного состояния имеют цементобетонные покрытия и основания.

Незначительность в них релаксации температурных напряжений приводит к соответствующему их изменению вслед за изменением температуры.

Частота смены температурных напряжений и их вероятность определяются по методике СоюздорНИИ. Частота возникновения динамических напряжений от автомобилей в течение суток и ряда лет дана на рис. 9.10 и 9.11.

Е1, МПа Тсут, С Часы Рис. 9.9. Изменение динамического режима нагружения дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием в летний период f, авт./мин N, авт./час Часы Рис. 9.10. Изменение частоты воздействия f автомобилей на покрытие и интенсивности их движения в течение суток: 1 – для двухполосной проезжей части и ненасыщенного потока автомобилей;

2 – для насыщенного потока в городских условиях (по В.Г. Боцманову) Таким образом, покрытия и f, авт./мин монолитные основания дорожной конструкции, а также любой элемент, вводимый в нее и предназначенный для повышения ее выносливости, а значит и надежности, должен обладать свойствами:

1. Выдерживать растягивающие напряжения растяжения: в асфальтобетонных покрытиях не менее 3,75 МПа;

в Рис. 9.11. Увеличение частоты цементобетонных не менее 1, воздействия автомобилей на МПа.

покрытие с течением времени:

2. Обладать относительным 1 – для насыщенного потока удлинением и сжатием: в в городских условиях асфальтобетонных покрытиях не (до 1000 авт./ч);

2 – для более 25·10-4;

в цементобетонных насыщенного потока в не более 5,4·10-5.

городских условиях (до авт./ч);

3 – для двухполосной 3. Выдерживать объемные проезжей части и напряжения z, rx и ry, ненасыщенного приведенные в [25, табл. 5].

потока (до 400 авт./ч) 4. Указанные напряжения и деформации должны развиваться с частотой для дорог 21–43 Hz, аэродромов 240 Hz.

5. Выдерживать минимум 4,5–9 млн нагружений для дорог и 0,54 млн нагружений для аэродромов за период эксплуатации.

6. Уровень напряженного состояния асфальтобетонных покрытий от растяжения при изгибе и при совместном действии усилий от изменений температуры и подвижной колесной нагрузки переменен в годовом цикле времени, и даже летом, характеризуется t r коэффициентом в интервале 0,71,0, что явно К недостаточно для обеспечения требуемой выносливости.

7. Монолитные покрытия и основания (асфальто- и цементобетонные) дорог и аэродромов находятся в мерзлом (сокращенном) состояниях в I, II, III и IV дорожно-климатических зонах России соответственно 76, 68, 67 и 50 % времени в году и при средних температурах –50, –26, –20 и –15 С.

8. В зимнее время асфальтобетонные покрытия испытывают растягивающие напряжения, во много раз превышающие предел прочности, что приводит к обязательному трещинообразованию. В теплый период года асфальтобетонные покрытия под совместным воздействием транспортных нагрузок, повышения деформативной способности оттаявших грунтов земляного полотна и температур испытывают в нижней плоскости слоев растягивающие напряжения до 1,3 МПа, а в верхней – сжимающие того же значения. Их периодическая смена в одном и том же сечении указывает на необходимость армирования.

9. Изменение температуры в течение суток от +10 С (ночью) до +28 С (днем) вызывает в цементобетонных покрытиях, разделенных на плиты длиной 6 м, прямое коробление утром, расширение с 14. до 18.00 и обратное коробление при вечернем охлаждении. При воздействии подвижных колесных нагрузок суммарные напряжения растяжения в нижней плоскости цементобетонных плит в ночное и вечернее время достигает 1,7 МПа, а в верхней сжатия только 0, МПа. В дневное время из-за прогрева плит в верхней плоскости напряжения сжатия составляют 1,7 МПа, а в нижней даже равны нулю.

10. В годовом цикле изменения температур воздуха –35 С +30 С в зимнее время в цементобетонных плитах длиной по 6 м формируются небольшие суммарные напряжения растяжения (0,3 МПа) из-за расчлененности плит и прочного промерзшего грунтового основания. В весенне-летний и летне-осенний периоды года суммарные напряжения сжатия от подвижной колесной нагрузки и температурных усилий формируются в верхней части плиты и достигают 2,8 МПа.

Обоснование толщины покрытий дорог на заданную выносливость Выносливость материалов – это способность их сопротивляться циклическим нагружениям. Она выражается числом выдерживаемых до разрушения нагружений и пересчитывается на время – срок службы. Фундаментальным свойством большинства твердых тел, в том числе асфальтобетонов и цементобетонов, является обратная логарифмическая зависимость числа нагружений от уровня относительного напряженного состояния на растяжение при изгибе r (где r – растягивающее напряжение при изгибе;

– предел прочности изгибаемого материала).

На рис. 9.12 эти зависимости представлены для асфальтовых, цементных и известково-зольных бетонов.

С учетом того, что выносливость асфальтобетонных покрытий должна сохраняться 1520 лет (без трещинообразования) под воздействием подвижной колесной нагрузки в 50 кН на дорогах I категории до 7,5 млн нагружений, II категории до 2,5 млн, а III категории до 0,1 млн устанавливаются из рис. 9.12 уровни допустимого относительного напряженного состояния, составляющие соответственно r =0,35, r =0,45 и r =0,65.

N Рис. 9.12. Зависимость допустимого уровня напряженного состояния покрытий дорог от требуемого числа выносливости N для дорог I, II и III категорий: 1 – асфальтобетоны (по П.Пеллу) [8];

2 – золоизвестебетоны (по А. Гарольду) [9];

3 – цементобетоны (по СоюздорНИИ) [7];

Из предыдущих исследований напряжений растяжения при изгибе r асфальтобетонного покрытия от действия подвижной колесной нагрузки в 50 кН следует их связь с относительной толщиной покрытия H D (рис. 9.13). Переход от r к r на шкале ординат (см. рис. 9.13) при 1,5МПа, использование r =0,350,450,65 дают возможность определить требуемую толщину асфальтобетонного однослойного покрытия для дорог I, II и III категорий и для колесных нагрузок в 50, 57,5 и 65 кН. Значения этих толщин показаны в табл. 9.8. Переход от них к толщинам многослойных асфальтобетонных покрытий, свойства которых приведены в табл. 9.8, производится из принципа равенства изгибной жесткости по формуле EH 3 h13 E h2, (9.6) E где E =150 МПа – модуль упругости асфальтобетона;

H – толщина однослойного покрытия (табл. 9.9);

h1 =6 см;

E1 – модуль упругости верхнего слоя покрытия (табл. 9.10);

E 2 – модуль упругости нижнего слоя покрытия (см. табл. 9.10).

Таким образом, на рис. 9.14 представлены толщины выносливых 2-слойных асфальтобетонных покрытий, причем толщина нижнего слоя может быть разделена по технологическим условиям на 2 или даже 3 слоя.

Таблица 9. Минимальные толщины асфальтобетонных выносливых покрытий Толщина однослойного асфальтобетонного Катего покрытия, см, при нагрузке рии Примечание кН кН дороги кН 100 115 ось ось ось 1. Пористый асфальтобетон с I 35 38 43 E 1500 МПа, изг 1,5 МПа 2. Выносливость покрытия на дорогах:

II, III 31 34 37 I категория – 8,0 млн.

II-III категория – 2,5 млн.

IV категория – 0,1 млн.

IV 22 – – 3. Упругость основания E0 200 МПа Таблица 9. Обозначения и механические свойства асфальтовых бетонов Модуль Сопротивление Слой Обознач Марка Вид упругости растяжению при покрыти ения битума асфальтобетона, МПа изгибе, МПа я Верхний Плотный I-II М 4500 2, А БНД-60/ Нижний Пористый 2800 1, Верхний Плотный I-II М 3600 2, Б БНД-90/ Нижний Пористый 2200 1, Верхний Плотный I-II М 2600 2, В БНД-130/ Нижний Пористый 1800 1, Рис. 9.13. Зависимость требуемой толщины асфальтобетонных покрытий от допустимого уровня напряженного состояния для дорог I, II и III категорий и от расчетной Р1, тяжелой Р2 и сверхтяжелой Р колесной подвижной нагрузки (V=40 км/ч) Рис. 9.14. Конструкции и толщина многослойных асфальтобетонных покрытий для дорог различных категорий и расчетных колесных нагрузок Сроки службы дорожных конструкций с асфальтобетонным покрытием должны быть согласованы с заданными еще при проектировании. Заданные сроки не могут превышать технические возможности покрытий в части износа, температурного трещинообразования, усталостного трещинообразования от действия многократных нагрузок, и, наконец, элементарных выбоин.

Процесс перехода поверхности асфальтобетонных покрытий в различное состояние – отличное, хорошее, удовлетворительное и неудовлетворительное при эксплуатации дороги автомобильным транспортом – это процесс постепенный и длительность, его на сегодня установить аналитически трудно.

Поэтому ниже (табл. 9.11) приводятся сроки службы асфальтобетонных покрытий дорог на основе экспериментальных данных, полученных в СибАДИ путем наблюдений за состоянием поверхности покрытий в течение 16 лет на 9-ти дорогах Западной и Восточной Сибири общей протяженностью около 500 км, что следует считать достоверным. При этом экспериментально установлено, что из общего срока службы до конца удовлетворительного состояния и перехода в неудовлетворительное собственно периоды времени работы покрытий в «отличном», «хорошем» и «удовлетворительном»

состояниях составляют соответственно 24 %, 56 % и 20 %.

Характеристики этих состояний поверхности покрытий представлены в табл. 9.12.

Таблица 9. Сроки службы дорожных конструкций с асфальтобетонным покрытием Срок службы Суточная Число Длительность работы до интенсивность нагрузок в дорожных конструкций Катег неудовлетв. движения 100 кН/ось в состояниях, годы ории состояния нагрузки в 100 за срок дорог отличн хорош удовлетво покрытий, кН/ось на службы, о о р.

годы полосу, авт./сут млн 15 500 7,5 3,6 4,8 6, I 20 500 7,5 4,8 6,4 8, 15 250 2,5 3,6 4,8 6, II, III 20 250 2,5 4,8 6,4 8, 15 70 0,1 3,6 4,8 6, IV 10 70 0,1 2,4 2,8 4, Таблица 9. Характеристики состояний асфальтобетонных покрытий дорог Показатели состояния покрытий Состояние температурн асфальтобето выбоины и % снижения площадь продольная ые трещины выкрашиван скорости нных растрескиван ровность с шагом 5- покрытий движения ия, % полосы ия, % JRJ, м/км м, % дорог наката площади площади Отличное 0,50 0 1,02,0 0 Хорошее 1,10 0 30 0 Удовлетворит 1,70 40 60 12 ельное Неудовлетвор 3,0 70 87 30 ительное Толщина покрытия Рис. 9.15. Связь уровня напряженного состояния цементобетонного покрытия по растяжению при изгибе r с толщиной Уровень напряженного состояния цементобетонного покрытия в течение года переменен от 0,33 до 0,67 и в среднем равен 0, (табл. 9.13). Связь уровня НДС с толщиной покрытия приведена на рис. 9.15. Здесь же приведены результаты использования НДС при расчете цементобетонных дорог в Германии на основе статических расчетов по Д. Бурмистру [24].

Допустимые значения уровня НДС с числом выносливости цементобетона N для дорог России и Германии приведены на рис.

9.16 на основе экспериментальных результатов AASHO (США). Это дает возможность по допустимому уровню НДС получить из рис. 9. толщины цементобетонных покрытий, обеспечивающих заданную выносливость (табл. 9.14).

Таблица 9. Изменения (флуктуации) коэффициентов асимметрии напряжений и прочности по растяжению при изгибе в цементобетонных покрытиях дорог в течение года Месяцы года Средневзве шенное Наименов значение № ание параметра параметра VII п/ XI п вынослив I IX X XI I I II III IV V VI VII выносливос ости ти max– min Коэффици ент асимметр 0, 0,8 0,8 0,8 0,1 0, 0, 0, 0, 0,1 0,8 0,8 0, 1 ии 433334 вынослив ости r. min r. max Коэффици ент прочности 0,3 0,3 0,3 0,6 0, - - - - 0,6 0,3 0,3 0, 2 при 3337 9333 изгибе r K t Примечание. Толщина цементобетонного покрытия 20 см;

модуль упругости основания Е=200 МПа.

Сравнение метода назначения толщины цементобетонных покрытий и конструкции в целом ФРГ (BAST, RSTO 2000) с Методическими рекомендациями 2003 г. (СоюздорНИИ, Россия) указывает на занижение толщины до 11% и завышение полной толщины на 45 %. Метод «динамического прогиба» СибАДИ дает результат по увеличению толщины покрытия автомагистралей на 3,816,6 % и увеличению полной толщины на 3138 %, что вероятно оправданно (табл. 9.15), а табл. 9.14 может служить основой для вариантного проектирования дорожных конструкций с цементобетонным покрытием.

СоюздорНИИ, Рис. 9.16. Связь числа нагружений N нагрузкой в 50 кН цементобетонных покрытий дорог РФ и ФРГ с безопасным уровнем напряженного состояния на растяжение при изгибе r – категории дорог РФ Таблица 9. Толщина цементобетонных покрытий (см), обеспечивающих заданную выносливость* Класс Категории дорог (марка) Слой цементобето Модуль на на упругост Iа, дорожной II III IV растяжение и, МПа конструкции Iб при изгибе Btb(Ptb) 1 2 3 4 5 6 Монолитное Btb: 33000 30 23 17 однослойное 4,0(50) покрытие B(M):

30(400) Btb:

3,2(40) 30000 31 24 18 B(M):

30(400) Окончание табл. 9. 1 2 3 4 5 6 Монолитное Btb:

Верхни 4,0(40) й слой двухслойное 24 - - покрытие B(M):

30(400) Btb: Нижни 2,8(35) 12( й слой - - 9) B(M): 25(300) Сборное покрытие из железобетонных Btb:

плит и 3,6(45) предварительно 28000 - - 16 B(M):

напряженных 25(300) железобетонных плит Выносливость в млн нагружений 32, 10, 3,0 0, нагрузкой в 50 кН 0 * Модуль упругости основания под цементобетонным покрытием Е0=200 МПа.

Таблица 9. Сравнение толщин цементобетонных покрытий и дорожных конструкций Отклонени Толщина слоев Категория дороги е методов 1 и 3 от 2, Срок службы конструкции Число Метод % нагруж № расчета толщины ений цементобето по толщине основание по полной покрытий п/п слоев нагрузк покрытие толщина толщине полная ой в н-ное конструкций кН, млн 163 39/ 1 Метод I 25 23 14,8 -11 + 5* СоюздорНИИ (Методические II 25 20 20 44/- 0,88 - рекомендации по проектированию 144 38/ жестких дорожных III 35 24 20,0 +30 + 0* одежд 2003 г. и ВСН 197-91) SV 30 27 15* 42 32 - SV 30 30 30 60 32 - Метод I 30 26 15* 51 1032 - 2 RSTO I 30 28 30 58 1032 - BAST, ФРГ II 30 24 15* 49 310 - III 30 18 8* 26 0,30,8 - I 30 273 40* 67 2132 +38 + Метод 3 «динамического +16, + II 30 28 40* 68 прогиба» СибАДИ III 30 16 18* 34 3,0 -11 + * Основания из щебеночных смесей, укрепленных гидравлическими вяжущими.

В табл. 9.16 приведены дорожные конструкции с цементобетонными покрытиями на глинистых, скальных и песчаных грунтах, что может служить основой их многовариантности расчета и конструирования.

Таблица 9. Дорожные конструкции с цементобетонными покрытиями на глинистых, скальных и песчано-гравийных грунтах земляного полотна Категории дорог Слои конструкции Iа, Iб II III Монолитное цементобетонное покрытие из бетона класса Btb/Ptb 4,0(50) (B(M) Щебень I марки прочности Песок среднезернистый Суглинки, глины при W Ft 0, Монолитное цементобетонное покрытие из бетона класса Btb/Ptb 4,0(50) (B(M) Скальный крупнообломочный грунт Монолитное цементобетонное покрытие из бетона класса Btb/Ptb 4,0(50) (B(M) Песок гравелистый Примечание. Расчет толщины выполнен по программе DINWAY при допускаемых динамических прогибах от нагрузки в 50 кН на колесо и скорости движения 80 км/ч в 0,11, 0,23 и 0,406 мм для дорог соответственно I, II и III категорий.

10. РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ И ПРОЧНОСТИ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО ПРОГИБА.

КОНСТРУИРОВАНИЕ Под прочностью дорожной конструкции понимается ее способность воспринимать внешнее усилие до разрушения. В этом случае силу, требуемую для разрушения, принимают за «несущую способность», измеряемую в кН, т и т.д. Дорожные слоистые конструкции автомагистралей, дорог, аэродромов испытывают многомиллионные воздействия подвижных (динамических) нагрузок от транспортных средств, меньших, чем «несущая способность».

После каждого нагружения конструкции в ее слоях остаются ничтожно малые деформации, то есть изменения формы и положения в виде микротрещин и уменьшения толщины слоя (просадок).

Поэтому понятие прочности связано с динамической устойчивостью формы и положения. Абсолютной мерой динамической устойчивости является энтропия. Применительно к слоистым дорожным конструкциям энтропия – это сумма потенциальных энергий деформаций разрушений слоев, отнесенная к работе по деформированию, совершаемой транспортными нагрузками в поле гравитации.

Критериями динамической устойчивости слоистых конструкций при воздействии на них подвижных нагрузок могут выступать:

динамический прогиб поверхности uдин;

скорость вертикальных колебаний дин;

ускорения вертикальных колебаний дин;

частота колебаний, с-1.

Наличие нескольких критериев устойчивости объясняется их различной чувствительностью на изменение условий нагружения конструкции подвижной нагрузкой. Так, например, динамический упругий прогиб обратно зависит от упругости, но малозаметно изменяется в зависимости от скорости движения нагрузки, в то время как скорости и ускорения колебаний существенно зависят от неё.

Критерии скорости, ускорений и частота вынужденных вертикальных колебаний в первую очередь могут вводить водонасыщенные песчаные и глинистые основания дорог в состояние тиксотропии, то есть расжижения. Кроме того, скорости колебаний и ускорения лучше измеряются современными средствами измерений, но являются производными от прогиба. В целом же критерии динамической устойчивости слоистых дорожных конструкций чрезвычайно вариабельны. Так, при движении со скоростью V по поверхности одной и той же конструкции прогибы, их формы, скорости вертикальных колебаний и ускорений зависят от конструкции транспортных средств (автомобилей), числа осей и колес.

Деформационное состояние конструкции при этом различно при проезде разных транспортных средств, и смена его вертикальной направленности наблюдается от 4 до 9 раз, а частота этой смены при скорости в 100 км/ч для автотранспорта составляет 1485 Hz.

Представляемый ниже метод расчета толщины слоев дорожных конструкций предполагает их динамическую устойчивость под действием подвижной нагрузки в случае выполнения условия – динамический прогиб поверхности покрытия многослойной дорожной конструкцией от действия подвижной расчетной нагрузки не должен превышать допустимый:

Uдин [U], (10.1) где U – динамический прогиб поверхности конструкции от действия подвижной расчетной нагрузки;

[U] – допустимый прогиб поверхности конструкции, гарантирующий её сплошность.

Условие устойчивости (10.2) может быть аналогично применено ко всем критериям: скорости колебаний, ускорениям, частоте и даже амплитудно-частотной характеристике (АЧХ, мм·с). Но в отличие от динамического прогиба, все они не имеют убедительных и достоверных экспериментальных данных о связи их предельных (допустимых) значений с процессом разрушения дорожных конструкций.

Технология расчета дорожных конструкций, пригодных в основном для участков дорог и автомагистралей с высокой скоростью движения, сводится к предварительному назначению числа и толщины слоев покрытий, оснований и подстилающих слоев с заданными характеристиками прочности и деформативности и перебору вариантов их соотношений до выполнения условия (10.2).

При этом верхний слой конструкции – покрытие – принимается конкретной толщины, обеспечивающей заданную выносливость (см.

выше § 9). Для каждого варианта составляется расчетная схема (аналогичная рис. 10.1, а), а дорожная конструкция может быть создана по принципу ступенчатого изменения плотности слоев по ее толщине (рис. 10.1, в) или убывающего (рис. 10.1, б). В первом случае на границах с более плотными слоями возникает эффект отражения волн напряжений.

а) б) в) Рис. 10.1. Расчетная схема слоистой дорожной конструкции (а) и принципы конструирования её при ступенчато убывающей (б) и ступенчато возрастающей плотности слоев (в) Нагрузка на поверхность конструкции q(t) действует кратковременно в течение T0 D V (где D – длина продольного контакта колеса с покрытием, равная диаметру кругового следа) и задана функцией qt q sin t T. Слоистая среда, нижний слой которой – упругое полупространство неограниченной толщины hm, характеризуется числом слоев М, а любой j-й слой (1 j М) – толщиной hj, модулем упругости Еj, коэффициентом Пуассона vj, плотностью j и скоростью распространения продольной волны cj.

Отдельный слой толщиной hj, загружаемый сверху напряжением j–1, начинает воспринимать действие напряжений со времени:

j tH h j 1 c j 1. (10.2) j Процесс преодоления напряжениями сжатия от кратковременных колесных поверхностных давлений q слоистой конструкции состоит в последовательном от слоя к слою пробеге зоной сжатия каждого слоя со скоростью распространения продольных волн сj. Поэтому время действия напряжений в слоях конструкции увеличивается с ростом числа и толщины слоев, а значение напряжений убывает. В табл. 10.1 приведен блок формул для вычисления этого времени и времени максимальных напряжений.

Таблица 10. Время действия и образования максимума напряжений сжатия в слоях конструкций № слоя Время Время образования Толщина Часть Напряжение конструкции действия максимума слоя слоя сжатия сверху напряжений напряжений q t = 0T Верх t1 T h t T0 q Низ t T0 q Верх T0 q h t2 h t T0 q 2 1 c Низ t T0 q Верх T0 q h1 h t3 h t T0 q 2 2 c1 c Низ q t T Верх j-1 j 1h T0 q j 1 j tj j hj 2 j 1 1 c j t T0 q Низ j j T0 q m h j Верх j t T0 q 0 tm m hm m 2 j 1 cj Низ m = 0,05 j Примечание. с j E j j 1 2 ;

j 0 j g ;

g = 980 см/с2.

j Максимальное напряжение сжатия в слое составит q, (10.3) j E j E j 1 h j D j 1 a где а = 12,5, (а = 1 для упруговязкопластичных конструкций с q – удельное асфальтобетонными покрытиями);

D j D q j ;

давление под колесом, равномерное по круговой площади диаметром D.

Упругий динамический прогиб слоя составит j 1 2 h j, (10.4) uj j Ej а всей слоистой конструкции mj дин 1 2 h j. (10.5) u j 1 Ej Если слоистая конструкция создана по принципу ступенчатого изменения плотности слоев по толщине, то на границе слоев при j j+1 возникают отраженные напряжения E j j 1 j E j 1 j ompj. (10.6) E j j E j 1 j В этом случае динамический прогиб конструкции составит m j ompj u дин 1 2 h j. (10.7) j Ej Значение допустимого динамического прогиба для автомобильных нагрузок принимают из табл. 10.2.

Расчетные механические свойства материалов для расчета конструкций дорог принимают по приложениям к нормативным методам (ОДН 218.046-01).

Таблица 10. Допустимый динамический прогиб и динамический модуль упругости дорожных конструкций нежесткого типа Категории дорог Показатели Iа, Iб II III динамической Осевые нагрузки, кН прочности 100 115 130 100 115 130 100 115 Динамический прогиб конструкции, мм 0,32 0,26 0,20 0,56 0,46 0,37 0,81 0,62 0, (не более) Динамический модуль конструкции, 625 810 1000 350 440 530 250 310 МПа (не менее) Расчетная интенсивность движения автомобилей 500 - - 250 - - 70 - с осевой наг-рузкой 100 кН, авт./сут Допустимое число осе вых нагрузок в 100 кН 107 106 - - - - - за период эксплуатации (на полосу движения) Представленные выше последовательно формулы и табл. 10. есть алгоритм расчетной программы DINWAY-2, на реализации которой построены последующие выводы.

В качестве примера из программы DINWAY-2 покажем её работу по расчету ДНДС дорожной и аэродромной конструкций для цементобетонного покрытия из бетона класса В40, толщиной 28 см, цементогрунтового основания из супеси, укрепленной цементом 4-й марки прочности толщиной 20 см и грунтового основания из суглинка при относительной влажности 0,7. Расчеты вертикальных прогибов, скоростей и ускорений колебаний этой конструкции в относительном времени (t/T0) и их изменений по длине траектории движения (S, м) приведены для воздействия на неё нагрузки группы А1 с нагрузкой на ось 100 кН и при скорости её движения V = 60 км/ч и для воздействия самолетной нагрузки от самолета «БОИНГ 747 400» с наг-рузкой на 4-колесную опору 463,6 кН и при посадочной V = 260 км/ч. Результаты представлены на рис. 10.2 и скорости 10.3.

Из них следует, что одна и та же конструкция устроенная на автомагистрали и взлетно-посадочной полосе аэродрома испытывает на последней более сложное и тяжелое динамическое деформационное состояние (ДДС), проявляющееся в том, что при увеличении на неё подвижной колесной нагрузки лишь в 4,63 раза, динамический прогиб (вертикальные колебания) увеличивается в раза, скорость колебаний в 120 раз, а ускорение в 80 раз.

Кроме этого, из рис. 10.2, 10.3 следует, что принятая для расчета конструкция:

- пригодна для дороги только III категории, т.к. динамический прогиб в 0,38 мм меньше допустимого в 0,406 мм (см. табл. 10.1);

- непригодна для устройства ВПП аэродрома, т.к. динамический прогиб в 6,5 мм от самолета «БОИНГ 747-400» больше допустимого в 1,66 мм (см. табл. 10.2), и поэтому требуется увеличение толщины конструкции;

- допускает проникание заметных динамических напряжений сжатия от автомобильной нагрузки А1 (100 кН на ось) на глубину см, а от самолетной («БОИНГ 747-400») на глубину 171 см. Вместе с этим высокочастотные колебания локализованы в основном в покрытии и основании конструкции;

- форма вертикальных перемещений конструкции, её затухающий во времени характер совершенно не адекватны статической теории изгиба плит и многослойных сред.

Рис. 10.2. Деформации дорожной конструкции при воздействии двухосного автомобиля с нагрузкой на ось 100 кН (нагрузка группы А1) и при скорости движения V = 60 км/ч Вертикальные колебания поверхности Скорость колебаний поверхности Ускорение колебаний поверхности Рис. 10.3. Деформации дорожной конструкции взлетно-посадочной полосы аэродрома при воздействии самолета «БОИНГ 747-40» с нагрузкой на опору 463,4 кН с посадочной скоростью V = 260 км/ч Общим гарантом устойчивости слоистой дорожной конструкции при выполнении условия (10.1) является конкретная толщина слоев конструкций, эквивалентная по способности изгибаться под нагрузкой одному из слоев (нижнему или верхнему). Это виртуальная величина, измеряемая в единицах толщины (см, м) и называемая эквивалентной толщиной слоистой конструкции.

Для двухслойной конструкции с толщиной первого слоя h1 и модулем упругости E1, лежащем на слое бесконечной толщины с модулем упругости Е0, эквивалентная толщина составит. (10.8) Н э h1 3 E E Для конструкции из М числа слоев и с нижним бесконечным слоем М -1 E Н э h j 3 j ;

М j 1. (10.9) E Для современных нагрузок на дороги I-III категорий (нагрузки группы А1-100 кН на ось) эквивалентная толщина конструкций нормирована на рис. 10.4 в результате многочисленных расчетов по программе DINWAY-2.

Назначение эквивалентной толщины из рис. 10.4 производится умножением на коэффициент (табл. 10.3), учитывающий расчетную влажность и вид грунтов в основании дорожной конструкции.

Таблица 10. Значение коэффициента Расчетная относительная влажность W/F Наименование грунта 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0, Супесь легкая 0,86 0,92 0,94 0,97 1,00 1, Песок пылеватый 0,74 0,80 0,82 0,83 0,92 1, Суглинок легкий, тяжелый, 0,72 0,86 1,00 1,28 1,55 1, глины Эквивалентная толщина Нэ, см Рис. 10.4. Эквивалентная толщина дорожных конструкций Эквивалентная толщина из рис. 10.4 может быть представлена и как эквивалентная свойствам покрытий дорог. Для этого эквивалентная толщина конструкции с асфальтобетонными покрытиями и дискретными основаниями уменьшается в 4,95 раза, а с цементобетонными покрытиями и укрепленными цементом основаниями в 9 раз. При этом в формулах табл. 10.4 вместо модуля упругости грунтового основания Е0 используют модуль упругости покрытия Е1.

Таблица 10. Формулы для комбинаторного расчета толщины слоев конструкций на основе эквивалентной толщины Схема Констр Формулы для расчета толщины Условия констру укция слоев конструкции расчета кции 1 2 3 Двух h1 H э слойная -- E1 E H э h2 3 E2 Трех- E h1 h2=const слойная 3 E1 E H э h1 3 E1 E h2 h1=const 3 E2 E Окончание табл. 10. 1 2 3 H э h2 3 E2 E0 h3 E3 E0 h2=const h h3=const 3 E1 E H э h1 3 E1 E0 h3 3 E3 E Четыре h1=const h х h3=const 3 E2 E слойная H э h1 3 E1 E0 h2 3 E2 E0 h1=const h h2=const 3 E3 E h2=const H h 3 E2 E0 h3 3 E3 E0 h4 3 E4 E h1 э 2 h3=const 3E E 10 h4=const H h 3 E1 E0 h3 3 E3 E0 h4 3 E4 E0 h1=const h2 э 1 3 E E h =const 2 h4=const Пяти Hэ h1 3 E1 E0 h2 3 E2 E0 h4 3 E4 E0 h1=const слойная h E3 E0 h2=const h4=const Hэ h1 3 E1 E0 h2 3 E2 E0 h3 3 E3 E0 h1=const h E4 E0 h2=const h3=const Расчет толщины каждого слоя многослойной конструкции при известной эквивалентной толщине Нэ производится по формулам табл. 10.4 путем последовательного придания толщинам других слоев постоянных значений. Это дает возможность рассчитать значительное количество равнопрочных вариантов конструкций. Количество вариантов многократно увеличивается при расширении набора применяемых материалов.

При этом возможны многочисленные комбинации соотношений толщин и свойств материалов дорожных конструкций и сам расчет становится комбинаторным.

Независимо от результатов расчета и для предварительного назначения толщин слоев конструкции она должна быть не менее:

- в покрытии верхний слой h1 из плотного асфальтобетона – 46 см;

- в покрытии нижний слой h2 из пористого асфальтобетона – 624 см;

- в основании слой h3 из дискретных материалов – 1236 см, из укрепленных грунтов и каменных материалов – 1632 см;

- подстилающий слой h4 из дренирующих материалов (пески и т.п.) – 2050 см.

Пример расчета Рассчитать толщину щебеночного основания дороги II категории с покрытием из плотного асфальтового бетона типа Б (смесь I марки) для 3-х вариантов: толщиной 10, 14 и 18 см, песчаного подстилающего слоя из среднезернистого песка толщиной 30 см и при расчетной относительной влажности суглинка тяжелого в земляном полотне 0,8.

Решение. Толщина щебеночного основания определяется по формуле для четырехслойной системы из табл. 10.4:

H э h1 3 E1 E0 h3 3 E2 E h2.

3 E3 E Из рис. 10.4 и табл. 10.4 Нэ = 140·1,28 = 179,2 180 см.

При Е1 = 5000 МПа, Е0 = 47 МПа, Е3 = 600 МПа, Е2 = 120 МПа и для толщины асфальтобетонного покрытия в 10 см толщина щебеночного основания составит 180 10 180 47 41, 5000 47 30 3 120 h2 3, 600 = 26,3 см 27 см.

Для толщины в 18 см 180 18 180 84,6 41, 3 5000 47 30 3 120 h2 3,5 16 см.

3, Для толщины в 14 см 180 14 180 65,8 41, 3 5000 47 30 3 120 h2 3,5 21 см.

3, В приведенном примере расчета толщины основания использовали один вид материала для устройства оснований дорог. В действительности таких материалов гораздо больше, что дает возможность создать значительное количество комбинаций различных материалов в конструкциях. Минимальное число таких комбинаций (или вариантов) равнопрочных дорожных конструкций с асфальтобетонным покрытием и с дискретными основаниями из материалов норматива ОДН 218.46-01 – 44, а с монолитными основаниями – 36.

Очевидно, что чем больше вариантов равнопрочных конструкций будет рассмотрено при окончательном обосновании (техническом или экономическом), тем надежнее и рациональнее будет результат.

Таким образом, комбинаторный метод расчета толщины многослойных конструкций дорог и аэродромов многовариантен, основан на физической волновой теории динамического напряженно деформированного состояния и достаточно прост для инженерного применения.

Конструирование Конструирование слоистых дорожных конструкций проезжей части – это процесс последовательного наложения слоев конструкции друг на друга, начиная снизу вверх, при максимальном использовании ресурса слоев в части распределяющей способности, характеризуемой параметром затухания сжимающих напряжений по толщине слоя или конструкции в целом. При этом предварительное назначение толщины слоев покрытий, оснований и подстилающих слоев и их распределяющая способность должны обеспечить выполнение условия не превышения сжимающих напряжений на нижележащий слой грунта допускаемых его сопротивлений сжатию и возникновению сдвига. Конструирование сводится к назначению количества слоев M с учетом нижнего, их толщины H i, параметров затухания напряжений i и вычислению напряжений сжатия на поверхность любого слоя:

i i 1 e i H i при 0 i M, (10.10) где i – параметр затухания напряжений сжатия, 1/см;

H i – толщина слоя дорожной конструкции.

На поверхности слоистой дорожной конструкции напряжения сжатия равны удельному давлению от нагрузок q :

1 q.

Удельные давления от автотранспортных средств q составляют в РФ от 0,2 до 0,6 МПа, а на аэродромные покрытия до 2,2 МПа.

Наибольший эффект распределения напряжений по глубине конструкций возникает, когда отношение модулей упругости Ei 2.

верхнего и нижнего слоев больше 2, т.е.

Ei Напряжения сжатия в нижнем слое М конструкции не должны превышать допустимое сопротивление сжатию:

M R. (10.11) Значения сопротивления сжатию связных грунтов и песков приведены в табл. 10.5. При конструировании слоистой дорожной конструкции на скальных, щебенистых, гравийных грунтах и их смесях с песками проверку устойчивости не производят.

Таблица 10. Значения сопротивления сжатию грунтов[R], МПа, при относительной расчетной влажности Относительная расчетная влажность Грунт 0,50 0,55 0,60 0,65 0,7 0,75 0,80 0,85 0,90 0, Супесь 0,10 0,08 0,08 0,07 0,0 0,06 0,06 0,06 0,05 0, легкая 5 5 7 4 1 8 Песок 0,13 0,12 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0, 7 8 0 5 7 8 пылеватый Суглинок легкий, 0,10 0,10 0,09 0,08 0,0 0,07 0,06 0,05 0,04 0, тяжелый;

7 5 глины Примечание. Сопротивление сжатию [R] при суммарном числе приложений нагрузки до 106 раз уменьшается: для супеси в 3 раза, суглинков в 2,5 раза, песков в 2 раза.

Примеры конструирования Пример 1. Назначить дорожную конструкцию дороги III технической категории под нагрузку АК-100 с удельным давлением на покрытие 0,6 МПа.

Назначим 5 слоев конструкции.

Покрытие асфальтобетонное 2-слойное, основание – щебеночное, подстилающий слой – песок, грунт земляного полотна – суглинок. Дорожно-климатическая зона – III, тип местности по характеру увлажнения – 3. Расчетная относительная влажность грунтов 0,7.

Значения модулей упругости приняты по ОДН 218.046-01.

Расчет напряжений i послойно приведен в табл. 10.6, а сопротивление грунта сжатию [R] принято по табл. 10.7.

Таблица 10. i примера Расчет напряжений Модуль упругости, МПа, № Толщина i i 1 e i H i Материал слоя слоя слоя, см коэффициент затухания, см- 1 =0, Асфальтобетон 5000, 1 H1=5 см плотный 1 =0,05 2 =0, Асфальтобетон 3000, 2 H2=6 см 3 =0, 2 =0, пористый Щебень 3 H3=20 см 450, 3 =0,03 4 =0, II марки 4 H4=25 см Песок 120, 4 =0,01 5 =0, Грунт:

суглинок 5 H5=100 см 41, 5 =0,037 5 R =0, тяжелый при Wp 0, F H i 56 см.

Из табл. 10.6 следует, что напряжения сжатия на грунт составляют 0,02 МПа, что меньше в 1,6 раза допустимого сопротивления R =0,032 МПа.

Таким образом, для примера 1 условие конструирования (10.11) выполнено.

Пример 2. Назначить дорожную конструкцию дороги III технической категории под нагрузку АК-100 с удельным давлением на покрытие 0,6 МПа.

Назначим 4 слоя конструкции.

Покрытие асфальтобетонное 2-слойное, основание – суглинок, укрепленный органическими и минеральными вяжущими, грунт земляного полотна – суглинок. Дорожно-климатическая зона – II, тип местности по характеру увлажнения – 3. Расчетная относительная влажность грунтов 0,8. Расчетные характеристики материалов примем по ОДН 218.046-01.


Расчеты выполнения условия (10.11) приведем в двух вариантах (табл. 10.7).

Таблица 10. Расчет выполнения условия (10.11) в двух вариантах примера Вариант 1 Вариант Модуль упругости, МПа, № Толщина Материал i i1 Толщина i i сло слоя, см коэффицие i Hi слоя слоя, см e i Hi я e нт затухания, см- Асфальто- 1 =0,60 1 =0, 5000, бетон 1 H1=5 см H1=5 см 1 =0,05 2 =0,27 2 =0, плотный Асфальто 3000, 3 =0, бетон 2 H2=6 см 2 =0,05 3 =0,12 H2=15 см пористый Суглинок, укрепленн ый 700, 4 =0,05 H =45 см 4 =0, H3=24 см органичес 3 2 3 =0, кими и минераль ными вяжущими Грунт:

4 R = H4=100 см 4 =0, 29, H4= 4 6 R = суглинок при см 4 =0,01 =0,024 W p 0, тяжелый 0, при F Wp 0, 3 F Hi 65см Hi см..

1 Из первого варианта следует, что общая толщина конструкции H i 35 см недостаточна, так как напряжение на грунт 4 =0, превышает допустимые сопротивления его сжатия R 0,024 МПа почти в 2 раза. Второй вариант расчета при увеличении нижнего слоя асфальтобетонного покрытия до H2=15 см и основания из укрепленного суглинка до H3=45 см снижает напряжения на грунт до 4 =0,036 МПа, что допустимо близко к R 0,032, и поэтому условие (10.11) выполняется.

Итак, из приведенных примеров видно, что конструирование сводится к выполнению условия (10.11) путем изменений толщины одного или нескольких слоев или модулей их упругости.

Одним из высокоэффективных способов снижения напряжений сжатия в связных грунтах под дорожной конструкцией является применение слоев повышенной жесткости по сравнению с вышележащим слоем и нижележащим грунтом. При быстропротекающих процессах нагружения на границе верхнего и жесткого слоев возникают добавочные напряжения за счет отражения b волны напряжений и в верхнем слое они составят z z K отр.

Под жестким слоем в грунте напряжения убывают до значения н z z K пр за счет преломления волны напряжений. Слои повышенной жесткости толщиной H характеризуются произведением ЕH3. Поэтому по этой характеристике и номограмме (рис. 10.5) получают значения Котр и Кпр.

ЕH3, ЕH3, МПасм3108 МПасм Рис. 10.5. Номограмма для вычисления коэффициентов отражения K отр и преломления K пр напряжений сжатия Для примера 2, варианта 2, в котором напряжения сжатия на грунт существенно превышают допустимые, произведем снижение напряжений путем введения в конструкцию жесткого слоя из цементобетона толщиной Н4=14 см и модулем упругости Е= МПа. Произведение составит ЕН3=0,082·108 МПа·см3. По этой величине и рис. 10.5 Котр=3,2 и Кпр=13. Расчет сведем в табл. 10.8, вариант 3, из которого следует выполнение условия (10.11).

Таким образом, для примера 2 приемлемы 2-й и 3-й варианты дорожных конструкций с общей толщиной 65 и 49 см соответственно.

Вообще же можно применять гораздо больший арсенал слоев, обладающих эффектами отражения и преломления1.

Таблица 10. Расчет варианта Эти слои названы «отражающими экранами» еще в 1975 г. в книге А.В.

Смирнова «Динамика дорожных одежд автомобильных дорог» [6].

Модуль упругости, МПа, коэффициент Добавоч № Толщин i Hi -ные сло а слоя, Материал слоя затухания, напряже i i1 e Kотр Kпр я см 1/см, ния плотность, г/см 5000, 1 =0,05 1 =0, H1=5 см Асфальтобетон 1 плотный 1 =2,35 2 =0, Асфальтобетон 3000, 2 =0,05 3 =0, 2 H2=6 см пористый 2 =2, Суглинок, укрепленный 700, 3 =0, H3=24 органическими 3 4 =0, z K отр см и 3 =2, минеральными вяжущими 30000, 4 =0, H4=14 z 4 Цементобетон 5 =0, см 4 =2,5 K пр Грунт:

29, 5 =0, H5=100 суглинок 5 R =0, 5 см тяжелый при 5 =1, Wp 0, F H i 49 см.

11. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ТИПОВЫХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Расчеты толщины дорожных конструкций нежесткого типа произведены методом «динамического прогиба» (СибАДИ) при использовании расчетной программы DINWAY-2 (СибАДИ). Расчеты произведены с точностью ± 5% отклонений расчетного динамического прогиба от требуемого (или допустимого). Всего рассчитано 150 конструкций, предназначенных для работы в дорогах I, II и III категорий:

– в условиях среднего, тяжелого и очень тяжелого движения;

– в условиях увлажнения связных грунтов земляного полотна (легкие суглинки, тяжелые суглинки, глины) во II, III и IV дорожно климатических зонах России;

– для покрытий из плотного и пористого асфальтовых бетонов (для дорог I и II категорий);

– для покрытий с использованием черного щебня (III категория) и двухслойных покрытий из плотного асфальтобетона и нижнего слоя из черного щебня (II категория);

– с дискретными основаниями (щебеночными) 4-х марок прочности;

– с 9-ю видами оснований из каменных материалов и грунтов, укрепленных цементом I и II классов прочности;

– с толщиной асфальтобетонных покрытий, гарантирующих выносливость на дорогах I и II категорий соответственно в 7,5 млн и 2,5 млн нагружений полос движения приведенными нагрузками АК 100.

Результаты расчета дорожных конструкций приведены на рис.

11.1, 11.2, 11.3 и в табл. 11.1 и 11.2.

Песок среднезернистый Песок среднезернистый Песок среднезернистый Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень (2-й класс) (3-й класс) (1-й класс) Рис. 11.1. Толщина дорожных конструкций нежесткого типа для дорог I технической категории с асфальтобетонными покрытиями и выносливостью до 7,5 млн нагрузок АК- для тяжелого и очень тяжелого движения:

– плотный асфальтобетон;

– пористый асфальтобетон;

– толщина слоя, см;

– общая толщина конструкции, см Песок среднезернистый Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень рядовой рядовой рядовой I-IV марок I-IV марок I-IV марок Рис. 11.2. Толщина дорожных конструкций нежесткого типа – плотный асфальтобетон;

для среднего движения:

– пористый асфальтобетон;

– толщина слоя, см;

– общая толщина конструкции, см Песок среднезернистый Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень Щебень рядовой рядовой рядовой I-IV марок I-IV марок I-IV марок Рис. 11.3. Толщина дорожных конструкций нежесткого типа для дорог I, II и III категорий с использованием в покрытиях – плотный асфальтобетон;

– пористый черного щебня:

асфальтобетон;

– черный щебень;

– толщина слоя, см;

– общая толщина конструкции, см Таблица 11. Общая толщина дорожных конструкций (знаменатель) для тяжелого и среднего движения на дорогах I и II категорий (числитель – толщина основания / толщина асфальтобетонного покрытия), см Дорожно-климатические зоны Коэффи- Толщина II1, II2 III IV циент основания Виды оснований изменени для Wp=0,670,7, № движения Wp=0,75, Kосн=1,19 Wp=0,63, Kосн=0, в дорожных конструкциях я Kосн=1, п/п нежесткого типа толщины среднего Категории дорог и тяжесть движения:

основани /тяжелого, СД – среднее движение, ТД – тяжелое движение я см I СД I ТД II ТД I СД I ТД II ТД I СД I ТД II ТД 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Щебень фракционный II марки 30/26 47/29 41/23 25/26 40/29 35/23 24/26 38/29 33/ 1 1,0 25/ (М1000) 86 96 84 71 89 78 70 87 2 Щебень или гравий, 25/26 40/29 35/23 21/26 34/29 30/23 20/26 33/29 28/ 0,847 21/ укрепленный цементом М 75 71 86 78 67 83 73 66 82 Щебень или гравий, 26/26 43/29 36/23 22/26 36/29 31/23 21/26 35/29 29/ 3 0,89 22/ укрепленный цементом М 60 72 92 79 68 85 74 67 84 Оптимальные песчано 28/26 46/29 40/23 24/26 39/29 34/23 23/26 37/29 32/ 4 гравийные смеси, укрепленные 0,97 24/ 74 95 83 70 88 77 69 86 цементом c прочностью М Оптимальные песчано 30/26 47/29 41/23 25/26 40/29 35/23 24/26 38/29 33/ 5 1,01 25/ гравийные смеси, укрепленные 76 96 84 71 89 78 70 87 цементом с прочностью М Оптимальные песчано 31/26 50/29 44/23 26/26 42/29 37/23 25/26 40/29 35/ 6 1,06 26/ гравийные смеси, укрепленные 77 99 87 72 91 80 71 89 цементом с прочностью М Окончание табл. 11. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Малопрочный щебень, отходы крупнообломочных грунтов, 27/26 44/29 38/23 23/26 37/29 32/23 22/26 35/29 30/ 7 неоптимальные песчано- 0,93 23/ 73 93 81 69 86 75 68 84 гравийные смеси, укрепленные цементом прочностью М 8 Пески мелкие, пылеватые, 26/26 43/29 37/23 22/25 36/29 31/23 21/26 34/29 29/ укреплённые цементом 0,89 22/ 72 92 80 67 85 74 67 83 прочностью М 9 Супеси тяжелые и пылеватые, суглинки легкие, укрепленные 26/26 43/29 37/23 22/26 36/29 31/23 21/26 34/29 29/ 0,89 22/ 72 92 80 67 85 74 67 83 цементом, золой-уноса, шламом с прочностью М Суглинки тяжелые, укрепленные 36/26 57/29 49/23 30/26 48/29 42/23 29/26 46/29 40/ минеральными вяжущими с 1,21 30/ 10 82 106 92 76 97 85 75 95 прочностью М Примечание. Замена щебеночного основания из фракционного щебня I марки на фракционный щебень II, III марок и рядовой (I – IV марок) увеличивает толщину оснований соответственно на 10 %, 21 % и 33 %.


Таблица 11. Общая толщина дорожных конструкций (числитель), толщина слоев асфальтобетонных, чернощебеночных покрытий, оснований и подстилающих песчаных слоев (знаменатель) (см) для дорог II и III категорий и среднего движения по тяжести Дорожно-климатические зоны Коэффиц Толщина II1 II2 III IV иент основания № Виды оснований изменени Wp=0,670,7, для Wp=0,75, Kосн=1,19 Wp=0,63, Kосн=0, п/ в дорожных конструкциях я Kосн=1, среднего п нежесткого типа толщины Категории дорог и тяжесть движения:

движения, основани СД – среднее движение см я II СД III СД II СД III СД II СД III СД 1 2 3 4 5 6 8 9 11 1 Щебень фракционный II марки _63_ _53_ _59_ _50_ _58_ _49_ 1,0 (М1000) 6, 8, 29, 20 -, 15, 18, 20 6, 8, 25, 20 -, 15, 15, 20 6, 8, 24, 20 -, 15, 14, Щебень или гравий, укрепленный _59_ _50_ _55_ _48_ _54_ _47_ 2 0,847 цементом марки прочности М 75 6, 8, 25, 20 -, 15, 15, 20 6, 8, 21, 20 -, 15, 13, 20 6, 8, 20, 20 -, 15, 12, Щебень или гравий, укрепленный _60_ _52_ _56_ _49_ _55_ _48_ 3 0,89 цементом марки прочности М 60 6, 8, 26, 20 -, 15, 17, 20 6, 8, 22, 20 -, 15, 14, 20 6, 8, 21, 20 -, 15, 13, Оптимальные песчано-гравийные _62_ _53_ _58_ _50_ _57_ _49_ 4 смеси, укрепленные цементом 0,97 6, 8, 28, 20 -, 15, 18, 20 6, 8, 24, 20 -, 15, 15, 20 6, 8, 23, 20 -, 15, 14, марки прочности М Оптимальные песчано-гравийные _63_ _53_ _59_ _50_ _58_ _49_ 5 смеси, укрепленные цементом 1,01 6, 8, 29, 20 -, 15, 18, 20 6, 8, 25, 20 -, 15, 15, 20 6, 8, 24, 20 -, 15, 14, марки прочности М Окончание табл. 11. 1 2 3 4 5 6 8 10 11 Оптимальные песчано-гравийные _65_ _54_ _60_ _51_ _59_ _50_ 6 смеси, укрепленные цементом 1,06 6, 8, 31, 20 -, 15, 19, 20 6, 8, 26, 20 -, 15, 16, 20 6, 8, 25, 20 -, 15, 15, марки прочности М Малопрочный щебень, отходы крупнообломочных грунтов, _61_ _52_ _57_ _49_ _56_ _48_ 7 неоптимальные песчано-гравийные 0,93 6, 8, 27, 20 -, 15, 17, 20 6, 8, 23, 20 -, 15, 14, 20 6, 8, 22, 20 -, 15, 13, смеси, укрепленные цементом марки прочности М Пески мелкие, пылеватые, _60_ _52_ _56_ _49_ _55_ _48_ 8 укрепленные цементом марки 0,89 6, 8, 26, 20 -, 15, 17, 20 6, 8, 22, 20 -, 15, 14, 20 6, 8, 21, 20 -, 15, 13, прочности М Супеси тяжелые и пылеватые, _60_ _52_ _56_ _49_ 55_ _48_ суглинки легкие, укрепленные 9 0,89 цементом, золой-уноса, шламом 6, 8, 26, 20 -, 15, 17, 20 6, 8, 22, 20 -, 15, 14, 20 6, 8, 21, 20 -, 15, 13, марки прочности М Суглинки тяжелые, укрепленные _72_ _56_ _64_ _53_ _63_ _52_ 10 минеральными вяжущими II марки 1,21 6, 8, 38, 20 -, 15, 21, 20 6, 8, 30, 20 -, 15, 18, 20 6, 8, 29, 20 -, 15, 17, прочности М Примечание. Замена щебеночного основания из фракционного щебня I марки на фракционный щебень II, III марок и рядовой (I – IV марок) увеличивает толщину оснований соответственно на 10 %, 21 % и 33 %.

Рис. 11.4. Сравнительный анализ толщин асфальтобетонных покрытий и дорожных конструкций по методу динамического прогиба СибАДИ, методу ОДН 218.46-01 и методу RSTO 2000 (ФРГ):

– плотный асфальтобетон;

– пористый асфальтобетон;

– черный щебень;

– толщина конструкции, см;

– толщина слоя, см Анализ результатов расчетов дорожных конструкций нежесткого типа для тяжелого движения произведен по трем методам расчета: методу ОДН 218.046-01, методу динамического прогиба (СибАДИ) и методу RSTO-2000 (ФРГ).

Результаты анализа представлены на рис. 11.4, и из них следует:

1. Метод ОДН дает почти одинаковый результат в части общей толщины дорожных конструкций для дорог I, II и III категорий (102107 см) при излишне большой толщине щебеночных оснований (7072 см).

2. Толщина асфальтобетонных покрытий по методу ОДН остается почти постоянной для дорог I, II и III категорий (1512 см) и недостаточно учитывает объем и тяжесть автомобильного движения.

3. Толщина дорожных конструкций по методу динамического прогиба (СибАДИ) на 1551% тоньше конструкций метода ОДН.

4. Толщина дорожных конструкций по методу динамического прогиба (СибАДИ) почти совпадает с методом RSTO-2000 (ФРГ) (отличия составляют +9%, +7% и –8%).

5. Толщина асфальтобетонных покрытий по методу динамического прогиба (СибАДИ) в 23 раза больше метода ОДН и почти совпадает с методом RSTO-2000 (ФРГ) (отличия составляют –4%, 10% и 7%).

Таким образом, метод динамического прогиба СибАДИ дает менее ресурсоемкие дорожные конструкции, адаптированные к заданной выносливости.

12. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ НА ТОЛЩИНУ ТИПОВЫХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РЕГИОНАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ РЕЛЬЕФОВ МЕСТНОСТИ, УВЛАЖНЕНИЯ И ПОВЕДЕНИЯ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ, ДОРОЖНО КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН РФ И ВИДОВ МАТЕРИАЛОВ СЛОЕВ КОНСТРУКЦИИ Разнообразие климатических условий России, условий увлажнения связных грунтов земляного полотна автомагистралей и дорог, видов местных материалов для их строительства требуют учета в форме изменений толщины покрытий, оснований и подстилающих слоев дорожных конструкций проезжей части. Толщины слоев типовых конструкций, приведенные в разделе 11, относятся к случаю, когда рельеф местности строительства автомагистрали или дороги – равнинный, температура воздуха в течение года +35°С – –30°С, влажность связных грунтов земляного полотна 0,67 от границы текучести, модуль упругости грунтов 41 МПа, а количество видов материалов ограничено (видов цемента и асфальтобетонов, видов материалов дискретных и монолитных оснований). Поэтому толщины покрытий и оснований типовых конструкций умножаются на коэффициент изменения несущего слоя основания (табл. 12.1), а при замене материалов слоев типовых конструкций их толщины умножаются на коэффициент эквивалентности (табл. 12.2).

Таблица 12. Значение коэффициентов изменения толщины основания Тип Дорож- местност Наименование Коэффициент но-кли- Тип и по Расчетная грунтов изменения мати- рельефа условия влажность земляного толщины несущего ческая местности м грунтов полотна слоя основания зона увлажне ния 1 2 3 4 5 1 0,72 1, Суглинок тяжелый, Равнинный 2 0,75 1, легкий, глины 3 0,78 1, 1 0,75 1, Суглинок тяжелый, II1 Холмистый 2 0,79 1, легкий, глины 3 0,81 1, 1 0,78 1, Суглинок тяжелый, Гористый 2 0,82 1, легкий, глины 3 0,84 1, Окончание табл. 12. 1 2 3 5 1 0,67 1, Суглинок тяжелый, Равнинный 2 0,71 1. легкий, глины 3 0,73 1, II 1 0,72 1, Суглинок тяжелый, Холмистый 2 0,75 1, легкий, глины 3 0,78 1, Суглинок III Равнинный 1 0,66 0, тяжелый, 23 0,67 1, легкий, глины Суглинок 1 0,66 0, тяжелый, 23 0,68 1, легкий, глины Суглинок 1 0,66 0, тяжелый, 23 0,69 1, легкий, глины Суглинок 1 0,66 0, тяжелый, 23 0,70 1, легкий, глины Суглинок 1 0,61 0, тяжелый, IV Равнинный 23 0,66 0, легкий, глины Примечание. Значения коэффициентов изменения толщины несущего слоя основания для земляного полотна из супеси пылеватой уменьшаются на 6 %.

Таблица 12. Значения коэффициентов эквивалентности толщины слоев покрытий и оснований дорожных конструкций Коэффициен Назначение Степень т слоя дорож- монолитност Материал слоя эквивалентн ной кон- и слоя конст- дорожной конструкции ости струкции рукции толщины 1 2 3 Плотный асфальтобетон I и II марок из 1, горячей смеси типа А на битуме БНД 60/ Плотный асфальтобетон I и II марок из Покрытие Монолитный горячей смеси типа А на битуме БНД 1, 130/ Пористый асфальтобетон I и II марок из горячей смеси типа А на битуме БНД 1, 60/ Продолжение табл. 12. 1 2 3 Пористый асфальтобетон I и II марок из Монолитный 1, горячей смеси типа А на битуме БНД 130/ Цементобетон М40 (класс прочности на 1, растяжение при изгибе 6,0/75) Цементобетон М3О (класс прочности на Покрытие 1, растяжение при изгибе 4,4/55) Монолитный Цементобетон М20 (класс прочности на 1, растяжение при изгибе 4,0/50) Предварительно-напряженный 0, цементобетон М40 (класс прочности при изгибе 6,0/75) Основани Щебень фракционный I марки 1, я 1, Щебень фракционный II марки 1, Щебень фракционный III марки 1, Щебень рядовой Дискретные 1, Щебень из активного шлака I-IV классов Щебень из малоактивного шлака I-IV 1, классов Гравийные материалы 1, Черный щебень, уплотненный по способу Моно 1, заклинки лит Щебень I и II классов прочности, ные 1, Верхн укрепленный пропиткой ие Смеси из щебня, обработанные битумом в 1, слои установке Смеси гравийные, обработанные битумом в 1, установке Нижн Щебень или гравий, укрепленный 1, ие цементом М7, слои Щебень или гравий, укрепленный 1, цементом М5, Оптимальные песчано-гравийные смеси, 1, укрепленные цементом I класса прочности Оптимальные песчано-гравийные смеси, 1, укрепленные цементом II класса прочности Оптимальные песчано-гравийные смеси, укрепленные цементом III класса 1, прочности Окончание табл. 12. 1 2 3 Малопрочный щебень, отходы крупно обломочных грунтов, неоптимальные 1, песчано-гравийные смеси, укрепленные цементом I класса прочности Пески мелкие, пылеватые, укрепленные Моно Нижн 1, цементом I класса прочности Основания литны ие слои Супеси тяжелые и пылеватые, суглинки е легкие, укрепленные цементом, золой- 1, уноса, шламом I класса прочности Суглинки тяжелые, укрепленные минеральными вяжущими II класса 1, прочности Общие выводы и заключение Обзор идеологий прочности дорог России за период 1960– 2010 гг. показал, что действующие в России нормативные документы по расчету и конструированию недостаточны для получения надежных и выносливых дорожных конструкций и не способны без инноваций решить стратегически важную проблему России – прочности и выносливости автомагистралей. Инновации, приведенные в книге, применены при:

разработке современных требований к прочности дорог, классификации тяжести движения потоков автотранспортных средств, разработке и использовании метода динамического прогиба для расчета толщины и прочности дорожных конструкций, исследовании уровня напряженно-деформированного состояния асфальтобетонных покрытий от действия температур и подвижных динамических нагрузок, обосновании толщины выносливых покрытий, учете влияния видов материалов оснований дорожных конструкций и деформационных свойств грунтов земляного полотна в различных условиях увлажнения. Расчет типовых конструкций нежестких дорожных одежд осуществлен с учетом следующих положений:

- аналитический расчет требуемой толщины слоев дорожной конструкции при многократном воздействии подвижной расчетной нагрузки производить путем определения ее общего динамического прогиба и сравнения его с допустимым. Способ определения динамического прогиба многослойной конструкции основан на физике распространения волн и совпадает с критическим волнообразованием Бесселя;

- расчет конструкции произведен при воздействии осевой нагрузки на покрытие конструкции от «расчетного грузового автомобиля» в 100, 115 или 130 кН (ГОСТ) и при достоверном приведении различных транспортных средств в потоке к выбранной осевой нагрузке путем сопоставления амплитудно-частотных характеристик. Расчеты динамического прогиба конструкции – при скорости движения нагрузок в 80 и км/ч, что свойственно транспортным потокам на дорогах и автомагистралях;

- расчет толщины и прочности дорожных конструкций осуществлен для воздействия двух классов движения транспортных потоков по тяжести:

2-й класс – тяжелое движение (20 – 50 % объема движения автомобилей с осевой нагрузкой АК 100), 3-й класс – очень тяжелое движение (55 – 68 % объема движения автомобилей с осевой нагрузкой АК-100);

- увеличение выносливости покрытий и оснований дорожных конструкций для автомагистралей I категории до 7,6 млн нагружений, дорог II и III категорий до 2,5 млн. Это возможно путем устройства асфальтобетонных покрытий и оснований толщиной 2432 см (цементобетонных – 1831 см), так как только при такой толщине уровень растягивающих напряжений безопасен для развития неуправляемой усталости;

- при расчете и конструировании дорожных конструкций срок их службы с асфальтобетонным покрытием принят директивно для дорог I, II и III категорий – 1520 лет, IV категории – 10 лет. Для цементобетонных покрытий – 3040 лет. Концом срока считается исчерпание «удовлетворительного»

состояния поверхностей покрытий проезжей части по ровности и растрескиванию. При этом суммарная длительность работы дорожных конструкций в «отличном» и «хорошем» состоянии составляет не менее 80 % срока службы.

В книге показано, что результаты расчета толщины покрытий автомагистралей и дорог по методу, предложенному автором, совпадает с нормами (стандартами) Германии. Вместе с этим обращаем внимание читателя на то, что использовать рекомендации по толщине покрытий можно только для участков автомагистралей, где транспортные потоки находятся в движении. Кроме того, еще перед проектированием необходимо узнать лабораторным путем механические свойства применяемых асфальтобетонов: модуль упругости, коэффициент Пуассона, прочность на сжатие и растяжение при изгибе. При их отличии от подобных характеристик, заложенных в расчеты, необходимы коррективы толщины покрытий. Наконец, следует напомнить читателю, что каждая дорожная конструкция, представленная в книге, имеет индикатор прочности – динамический прогиб, который следует применять для оценки остаточной прочности уже в процессе эксплуатации построенной автомагистрали путем систематического мониторинга.

Научное издание Александр Владимирович Смирнов РАСЧЕТ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ НА ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ Монография *** Редактор Т.И. Калинина *** Подписано к печати 29.03. Формат 6090 1/16. Бумага писчая Оперативный способ печати Гарнитура Times New Roman Усл. п. л. 7,25, уч.-изд. л. 5, Тираж 500 экз. Заказ №_ Цена договорная Издательство СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, Отпечатано в подразделении ОП издательства СибАДИ

Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.