СООРУЖЕНИЯ ДОРОЖНОГО ВОДООТВОДА 9 страница

Фактически на прогиб дорожных одежд влияет и нагрузка от соседних колес, так как волны прогиба покрытия часто перекрываются (рис. 14.9). Это обстоятельство приходится учитывать при расчетах дорожных одежд на пропуск трейлеров и трехосных автомобилей. На рис. 14.10 показано, как суммируются эпюры напряжений в грунте от разных колес.

Рис. 14.9. Способ учета влияния смежных колес при расчете толщины дорожной одежды: 1 – прогиб от колеса I; 2 – прогиб от колеса II; 3 – суммарный прогиб от двух колес

Рис. 14.10. Эпюра вертикальных напряжений в песчаном подстилающем слое на глубине 25, 35 и 50 см в грунте под асфальтобетонным покрытием на цементогрунтовом основании при проезде автомобиля КрАЗ-255Б со скоростью 50 км/ч

Как видно из предыдущего изложения, последовательность расположения конструктивных слоев и толщина некоторых из них при расчетах дорожных одежд назначаются проектировщиком. Поэтому определяемые расчетом толщины остальных слоев в какой-то степени зависят от удачности этих решений.

14.4. Расчет нежестких дорожных одежд по сдвигу

Прочность дорожной одежды по сдвигу обеспечена при условии

, (14.9)

где Т – активное напряжение сдвига, Па; Т_доп – допускаемое напряжение сдвига, обусловленное сцеплением в грунте или материале, Па; К_пр – коэффициент прочности (табл. 14.4).

Последовательность расчета на прочность по сдвигу следующая:

1. Активное напряжение сдвига в грунте и слоях малосвязных материалов (песчаный, гравийный материал) зависит от активных напряжений сдвига от временной нагрузки t_ам и от веса вышележащих слоев t_ав

. (14.10)

Наиболее неблагоприятные условия работы грунта и малосвязных материалов на сдвиг возникают при высокой положительной температуре покрытия, наблюдаемой в период большего ослабления дорожной одежды (обычно весной). Это связано со снижением жесткости и распределяющей способности слоев, содержащих органическое вяжущее. В Инструкции ВСН 46-83 рекомендована расчетная температура 20°С.

2. Многослойную конструкцию, лежащую выше слоя, в котором определяют напряжение сдвига, заменяют однослойной и вычисляют средний модуль упругости Е_ср

, (14.11)

где Е_i – модуль упругости, Па; h_i – толщина i-го слоя, м; n – число слоев.

При расчете на воздействие движущихся нагрузок в формулу (14.11) подставляют значения модулей упругости, соответствующие продолжительности действия нагрузки 0,1 с, а при расчете на действие стоящего автомобиля – значения модулей упругости, соответствующие длительному действию нагрузки (не менее 10 мин).

Таким образом, многослойную дорожную одежду приводят к двухслойной, имеющей толщину слоя .

3. Определив отношения Е₁/Е₂= Е_ср/Е₂ (где Е₂ – модуль упругости грунта земляного полотна или модуль упругости на поверхности слоя из малосвязных материалов, для которого определяют прочность на сдвиг) и , а также j (угол внутреннего трения грунта или малосвязного материала), по номограмме на рис. 14.11 находят отношение (ключ для пользования номограммами показан прерывистыми линиями) и вычисляют t_ам. В процессе расчета диаметр следа колеса D и модуль упругости грунта либо малосвязного материала принимают в соответствии с характером воздействия нагрузки (подвижный автомобиль или движущийся).

Рис. 14.11. Номограмма для определения активных напряжений сдвига от временной нагрузки t_ам в нижнем слое двухслойной системы: р – среднее расчетное удельное давление от колеса

4. По общей толщине вышележащих слоев и углу внутреннего трения j определяют активное напряжение сдвига от веса вышележащих слоев t_ав (рис. 14.12).

Рис. 14.12. График для определения активных напряжений сдвига от веса вышележащих слоев t_ав

5. Вычисляют активное напряжение сдвига T по формуле (14.10). При этом значение t_ав подставляют с тем знаком, с каким оно получено по графику (см. рис. 14.12).

6. Рассчитывают допускаемое напряжение сдвига Т_доп

, (14.12)

где с – сцепление в грунте активной зоны земляного полотна в расчетный период или в материале малосвязного слоя, Па; К₁ – коэффициент, учитывающий снижение сопротивления грунта или малосвязного материала сдвигу под агрессивным воздействием подвижных нагрузок, колебаний и т. п. (0,6 при расчете на действие движущихся автомобилей, 0,9 при расчете на действие неподвижной нагрузки); К₂ – коэффициент запаса на неоднородность условий работы дорожной одежды, связанный с недоучетом неблагоприятных природных воздействий, с технологическими и другими причинами; влияние этих факторов зависит от интенсивности движения и может быть определено по графику (рис. 14.13); К₃ – коэффициент, учитывающий особенности работы грунта и малосвязных материалов (табл. 14.7).

Рис 14.13. График для определения коэффициента запаса К₂ для грунтов и зернистых материалов, рассчитываемых по сдвигу от расчет ной интенсивности движения N_р

Таблица 14.7. Коэффициент К₃ для различных грунтов земляного полотна

7. Проверяют обеспечение условия (14.9). Если оно не обеспечено, то необходимо:

– увеличение толщины одного или нескольких вышележащих слоев;

– замена материалов одного или нескольких слоев более жестким материалом, имеющим более высокий модуль упругости;

– замена либо укрепление грунта или малосвязного материала с целью повышения их сдвигоустойчивости.

Для уменьшения количества попыток при корректировке дорожной одежды удобно использовать график (рис. 14.14).

Рис. 14.14. График относительного изменения активного напряжения сдвига в нижележащем полупространстве Dt_ам/Dt_ам при изменении толщины слоя дорожной одежды на 1 см

Расчет сдвигоустойчивости асфальтобетона ведут на длительное действие нагрузки при расчетной температуре во всех дорожно-климатических районах +50⁰С. Допустимое активное напряжение сдвига

, (14.13)

где К – комплексный коэффициент, учитывающий зацепление зерен асфальтобетона и условия его работы (табл. 14.8); с – сцепление (см. табл. 14.8).

Таблица 14.8. Характеристики асфальтобетона для расчета на сдвиг

Примечание. В числителе дано сцепление для горячих смесей, в знаменателе – для теплых. Если асфальтобетон изготовлен с применением дробленого песка, то сцепление нужно увеличить а 1,2 раза.

Порядок расчета асфальтобетон на сдвиг:

1) вычисляют средний модуль упругости его слоен Е_{ср асф.} по формуле (14.11);

2) определяют общий модуль упругости на поверхности нижележащих слоев Е_{общ.осн.}, используя номограмму (см. рис. 14.8), и вычисляют отношения Е_{ср асф.}/Е_{общ.осн.} и S h_i /D (S h_i – суммарная толщина слоев из асфальтобетона);

3) по номограмме (рис. 14.15) определяют активное напряжение сдвига от единичной нагрузки t / р;

4) умножая это отношение на среднее давление от колеса расчетного автомобиля на покрытие р (см. табл. 14.1), определяют активное напряжение сдвига Т. Если отношение
Е_{ср асф.}/Е_{общ.осн.} < 2, то расчеты ведут для Е_{ср асф.}/Е_{общ.осн.} = 2;

5) определив значение Т_доп по формуле (14.13), устанавливают соблюдение условия (14.9). Если это условие не обеспечено, необходимо заменить материал верхнего слоя на более сдвигоустойчивый или изменить конструкцию дорожной одежды с целью снижения активного напряжения сдвига Т.

Рис. 14.15. Номограмма для определения активных напряжений сдвига в слое асфальтобетона

14.5. Расчет нежестких дорожных одежд на растяжение при изгибе

При расчете нежестких дорожных одежд на растяжение при изгибе монолитных слоеввстречаются два характерных случая:

А. Монолитный слой или несколько смежных слоев из однотипных монолитных материалов находятся в верхней части дорожной одежды – это асфальтобетонные и подобные им покрытия, асфальтобетонные основания, расположенные непосредственно под асфальтобетонным покрытием.

Б. Монолитный слой расположен в толще дорожной одежды – различного рода монолитные основания.

В монолитных слоях дорожной одежды (из асфальтобетона, дегтебетона, материалов и грунтов, укрепленных комплексными и неорганическими вяжущими) возникающие при прогибе одежды напряжения под действием повторных кратковременных нагрузок не должны вызывать нарушения структуры материала и приводить к образованию трещин, т.е. должно быть обеспечено условие

, (14.14)

где К_пр – требуемый коэффициент прочности с учетом заданного уровня надежности (таблица 14.4); R_доп – предельное допустимое растягивающее напряжение материала слоя с учетом усталостных явлений, МПа; s_r – наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое, устанавливаемое расчетом, МПа.

А.Порядок проведения расчета:

1) вычисляют h₁/D при однослойном покрытии или S h_i / D (асфальтобетонное покрытие на основании из асфальтобетонных слоев), а затем по формуле (14.11) находят средний модуль упругости пакета слоев из асфальтового бетона;

2) находят с помощью номограммы (см. рис. 14.8) общий модуль упругости Е_{общ.осн.} на поверхности слоя, подстилающего слой, в котором определяют растягивающие напряжения;

3) вычислив отношения Е₁/Е_{общ.осн.} или Е_ср/Е_{общ.осн} и h₁/D или S h_i / D, по номограмме (рис. 14.16) находят удельное растягивающее напряжение от единичной нагрузки в верхнем слое и определяют полное растягивающее напряжение в МПа

, (14.15)

где р – среднее давление колеса расчетного автомобиля на покрытие, МПа; K_d – коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия под колесом автомобиля со спаренными баллонами 0,85, при однобаллоном колесе – 1,0;

Рис. 14.16. Номограмма для определения растягивающего напряжения при изгибе от единичной нагрузки в верхнем монолитном слое

4) допустимое растягивающее напряжение при изгибе асфальтобетона

, (14.16)

где – среднее расчетное сопротивление растяжению при изгибе, МПа; (см. главу 13); t – коэффициент нормированного отклонения , принимаемый в зависимости от уровня проектной надежности К_н конструкции дорожной одежды (для К_н = 0,60; 0,85; 0,90; 0,95, t = 0,26; 1,06; 1,32; 1,71); C_v – коэффициент вариации прочности на растяжение при изгибе асфальтобетона, равный 0,1; К_У – коэффициент усталости, учитывающий повторность нагружения от расчетной приведенной интенсивности движения на полосу, определяемый по графику (рис. 14.17); К_т – коэффициент снижения прочности от воздействия природно-климатических факторов (для асфальтобетона I-II марок на щебне изверженных пород K_m = 1,0 и III марки – 0,8; для смесей на щебне осадочных пород и гравийных материалов I марки К_т = 0,9 и II-III марок – 0,7);

5) затем проверяют обеспечение условия (14.14). Если это условие не обеспечено, необходимо корректировать толщину монолитного слоя.

Рис. 14.17. Зависимость коэффициента усталости К_у, учитывающего повторность нагружения от расчетной приведенной интенсивности воздействия нагрузки на полосу: 1 – для асфальтобетона на битумах БНД-130/200 и БНД-200/300, высокопористых асфальтобетонов и дегтебетонов; 2 – для плотных и пористых асфальтобетонов на битумах БНД-40/60, БНД-60/90 и БНД-90/130; 3 – для материалов и грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими

Б. При расчетах промежуточных монолитных слоев многослойную конструкцию предварительно следует приводить к трехслойной, где средним будет рассчитываемый монолитный слой.

Рис. 14.18. Номограмма для определения растягивающего напряжения в промежуточном монолитном слое дорожной одежды

Промежуточные монолитные слои целесообразно рассчитывать в такой последовательности:

1) вначале по формуле (14.11) вычисляют средний модуль упругости конструктивных слоев, лежащих выше рассчитываемого монолитного слоя (см. слой h₂ на рис. 14.18);

2) слои, подстилающие монолитный слой, приводят к эквивалентному по жесткости однородному полупространству с модулем упругости Е₃, который можно получить путем последовательного вычисления общих модулей каждой пары смежных слоев по номограмме (рис. 14.8);

3) затем по номограмме (рис. 14.18) находят растягивающее напряжение в рассчитываемом слое от единичной нагрузки, действующей на поверхности покрытия. Для этого из точки на верхней горизонтальной оси, соответствующей отношению S h_i / D, следует провести вертикаль до кривой с известным отношением E₁/Е₂, а из точки пересечения провести горизонтальную прямую до луча, соответствующего отношению Е₂/Е₃, откуда опустить вертикаль на нижнюю горизонтальную ось, где найти значение . Расчетное значение s_r нужно найти по формуле (14.15) при К_d=1,0.

4) допустимое растягивающее напряжение при изгибе асфальтобетона определяют по формуле (14.16);

5) затем проверяют обеспечение условия (14.14). Если это условие не обеспечено, необходимо корректировать толщину монолитного слоя.

14.6. Проектирование осушения дорожных одежд

При проезде автомобилей по покрытию в переувлажненном подстилающем грунте возникают гидродинамические напоры, сопротивление грунта сдвигу снижается, что может явиться причиной разрушения дорожных одежд. Поэтому в конструкции дорожной одежды должна быть предусмотрена возможность своевременного отвода выделившейся воды через дренирующие слои из хорошо фильтрующих материалов, имеющих коэффициент фильтрации не менее 1 м/сут.

Методика расчета толщины дренирующих слоев исходит из наиболее сложного весеннего периода их работы, когда основание под серединой проезжей части оттаяло, а у краев еще находится в мерзлом состоянии, и водоотводные устройства не работают.

Количество воды, поступающей в основание дорожной одежды в период оттаивания, складывается из воды, выделяющейся при оттаивании грунта под проезжей частью и обочинами, а также воды, просачивающейся в поверхностные слои грунта через трещины и швы покрытия и обочины во время весенних дождей. Скорость оттаивания грунта земляного полотна под проезжей частью может достигать 5 см в день. Скорость оттаивания обочин меньше и составляет в среднем 3 см. Конструкция дренирующего слоя должна обеспечивать размещение в порах песка всей воды, накапливающейся за этот период.

Оттаявший грунт земляного полотна может удержать количество воды, равное примерно 0,75 от влажности границы текучести. Поэтому избыток выделившейся воды отжимается вверх в песчаное основание. Поскольку трудно установить количество воды, выделяющейся на каждом конкретном участке и поступающей через дорожную одежду и обочины, при расчетах пользуются установленными из наблюдений средними значениями суммарного среднесуточного притока воды в основание q (табл. 14.9).

Таблица 14.9. Значения суммарного среднесуточного притока воды в основание

Примечания. 1. При наличии в дорожной одежде основания из монолитных материалов (цементогрунтов, битумоминеральных материалов и других) объем воды, поступающей в основание, следует уменьшить на 10%. 2. При обеспечении водонепроницаемости обочин необходимо уменьшить q на 20%. 3. На участках перелома продольного профиля при встречных уклонах следует увеличить величину q на 20%.

На начальном этапе проектирования дорожной одежды толщину песчаного основания назначают конструктивно или по соображениям морозоустойчивости. Затем ее проверяют на размещение в порах воды, поступающей за период от начала оттаивания до начала работы отводящих дренажных устройств, и на возможность ее отвода через песчаный слой. При этом следует учитывать, что полное заполнение пор может быть допущено только в нижней части песчаного слоя. В верхней его части песок должен находиться только в состоянии капиллярного водонасыщения, так как иначе при динамических воздействиях проезжающих автомобилей в песчаном слое возможны тиксотропные явления.

Дренирующий слой устраивают на дорогах с земляным полотном, сложенным из пучинистых, сильнопучинистых и чрезмернопучинистых грунтов в соответствии со СНиП 2.05.02-85. Расчет толщины дренирующего слоя проводят с учетом:

– фильтрационных материалов;

– конструкции земляного полотна;

– дорожной одежды;

– категории дороги.