СООРУЖЕНИЯ ДОРОЖНОГО ВОДООТВОДА 8 страница

Данные о расчетных нагрузках приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Расчетные нагрузки на дорожную одежду

Нагрузки от автомобилей группы А используют при расчетах одежд на дорогах I-III, I-с и II-с категорий. Предусмотрен постепенный переход на расчет на эту нагрузку одежд и вновь строящихся дорог IV категории. В дальнейшем в процессе капитальных ремонтов одежды на дорогах IV категории будут усиливаться под нагрузку 100 кН. Дороги V категории, если по ним не предусматривается проезд большегрузных автомобилей, рассчитываются на осевую нагрузку 60 кН.

Воздействие транспортной нагрузки оценивают по составу и интенсивности перспективного движения, ожидаемого на год службы перед капитальным ремонтом. Срок службы дороги до капитального ремонта принимают на основании табл. 14.2 в зависимости от категории дороги и типа дорожной одежды.

Таблица 14.2. Срок службы дороги до капитального ремонта

Основные принципы назначения расчетных нагрузок:

– при расчете дорожных одежд на прочность перспективную интенсивность движения различных типов транспортных средств необходимо привести к интенсивности воздействия расчетной нагрузки на одиночную наиболее нагруженную ось двухосного автомобиля, равную 100 кН (10 тс) (нормированная нагрузка группы А);

– в случае, когда в составе движения проектируемой дороги предусматривают движение автомобилей или других транспортных средств с нагрузками на ось, превышающими нормированные для автомобилей группы А, за расчетную следует принимать наибольшую нагрузку, воздействие которой ожидается в наиболее неблагоприятный для работы дорожной одежды период года;

– если в расчетный весенний период предполагается движение транспортных средств с нагрузкой на ось, превышающей нормированную не более, чем на 20%, а число таких транспортных средств не превышает 5% от суммарной интенсивности движения грузовых автомобилей и автобусов, то за расчетную следует принимать нормированную нагрузку группы А;

– в случае, когда в наиболее неблагоприятный период года на дороге не предполагается движение транспортных средств группы А или их количество не превышает 3% от суммарной интенсивности движения грузовых автомобилей и автобусов, а по дороге предусматривается проезд главным образом двухосных автомобилей с наибольшей статической нагрузкой на ось 60 кН (6 тс), трехосных – 50 кН (5 тс), автобусов – 70 кН (7 тс), в качестве расчетной следует принимать нормированную нагрузку группы Б, равную 60 кН (6 тс). Основные параметры нормированных нагрузок А и Б приведены в табл. 14.1.

14.2. Прочность нежестких дорожных одежд

Деформация нежестких дорожных одежд является результатом проявления ряда процессов (рис. 14.1), протекающих одновременно или следующих друг за другом:

1) грунтовое основание дорожной одежды сжимается под нагрузкой в пределах активной зоны, вследствие чего происходит прогиб дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с образованием так называемой «чаши прогиба» глубиной D. Чем большую толщину и жесткость имеет дорожная одежда, тем на большую площадь распределяется давление внешней нагрузки и, следовательно, тем меньше напряжения, передающиеся на грунт;

2) под нагрузкой происходит сжатие материала дорожной одежды, а в нижней части изогнувшихся конструктивных слоев – растяжение. При превышении растягивающими напряжениями предела прочности материала в покрытии или основании образуются трещины. По периметру участка контакта нагрузки с покрытием действуют срезывающие напряжения, которые при больших нагрузках вызывают пролом дорожной одежды, иногда с выкалыванием ее части, находящейся под нагрузкой, в виде расширяющегося книзу усеченного конуса;

3) в основаниях из несвязных и малосвязных материалов (гравия, песка, щебня) и в подстилающем грунте при превышении касательными напряжениями сопротивления сдвигу могут возникать зоны пластического течения с выжиманием грунта из перенапряженной зоны, развитие которых приводит к потере прочности одежды.

Рис. 14.1. Схема образования «чаши прогиба» и разрушения нежестких дорожных одежд под колесом автомобиля: 1 – «чаша прогиба»; 2 – зона сжатия одежды; 3 – зова растяжения; 4 – поверхность среза одежды; 5 – площадь передачи давления на грунт; 6 – уплотнение грунта в основании; 7 – направление сжатия грунта; 8 – выпирание грунта; 9 – трещины в одежде; D – осадка дорожной одежды

Относительная роль каждой из указанных деформаций в разрушении дорожных одежд различна в конструкциях из разных материалов и меняется в зависимости от характера приложения и длительности действия нагрузки, а также влажности и температуры конструктивных слоев одежды.

При многократном приложении к нежесткой дорожной одежде различных нагрузок, передающихся через одинаковые площадки (штампы), кривая нарастания прогиба покрытия по мере загружений в зависимости от размера нагрузки может соответствовать одной из кривых, показанных на рис. 14.2.

Рис. 14.2. Закономерности накопления деформаций дорожных одежд при многократных нагружениях: 1 – остаточные деформации; 2 – полная деформация

Если нагрузки соответствуют расчетной прочности дорожной одежды, а ее слой и грунт земляного полотна хорошо уплотнены, дорожная одежда испытывает только упругие прогибы. Лишь в первый период после сдачи дороги в эксплуатацию, пока происходит окончательное формирование, некоторые дорожные одежды могут испытывать остаточные деформации, связанные с дополнительным уплотнением, которые в дальнейшем прекращаются, и одежда затем испытывает только упругие деформации (линия I). Происходящее в процессе эксплуатации дороги незначительное накопление деформаций связано с процессами старения и износа материала конструктивных слоев одежды.

При воздействии нагрузок, превышающих расчетные, или при временном снижении прочности грунтов основания в весенний или осенний периоды возникают постепенно накапливающиеся малые пластические деформации (линия II). Если их суммарное значение за период ослабления одежды превысит некоторое допустимое значение, одежда разрушится (линия III).

Таким образом, прочность одежды зависит от предельного допустимого прогиба и количества приложений нагрузки за период ослабления. При очень больших нагрузках или при значительном снижении прочности грунта осадки, вначале накапливающиеся замедленно, в дальнейшем начинают быстро возрастать, и происходит полное разрушение одежды.

В зависимости от требований, предъявляемых к дороге, расчет толщины дорожной одежды можно вести из условия достижения заданного значения деформации.

Считается, что дорожные одежды с покрытиями капитальных типов должны работать в стадии упругих деформаций с обеспечением достаточного запаса прочности и в наиболее неблагоприятные периоды года, когда грунт имеет наименьшую прочность. На дорогах с покрытиями усовершенствованных облегченных типов дорожные одежды также рассчитывают на работу без допущения возможности накопления пластических деформаций, но с меньшими запасами прочности, чем при покрытиях капитальных типов.

Одежды с покрытиями переходных типов, восстановление ровности которых легко осуществимо, рассчитывают, допуская некоторое накопление деформаций под действием движения. Это дает возможность снижения толщины дорожной одежды.

В связи со сложностью процессов, протекающих в деформируемой дорожной одежде, за обобщенный показатель ее прочности при расчете принимается комплексная характеристика – допускаемый упругий прогиб. Конструкцию дорожной одежды, удовлетворяющую этому основному требованию, дополнительно проверяют по следующим критериям:

1) устойчивости несвязных слоев против возникновения сдвигов;

2) допустимому значению растягивающих напряжений в слоях связных материалов;

3) допустимому значению зимнего вспучивания, обеспечению отвода воды из пористых слоев.

При расчете дорожных одежд на прочность следует учитывать перспективную интенсивность движения автомобилей разных марок в двух направлениях, которая приводится к эквивалентной интенсивности воздействия расчетной нагрузки на одну полосу проезжей части в сутки

, (14.1)

где f_пол – коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним (табл. 14.3); N – суммарная интенсивность движения автомобилей в обоих направлениях на дороге (формула 14.2), авт/сут; n – количество типов автомобилей в транспортном потоке; S_m – коэффициент приведения рассматриваемого типа автомобиля к расчетному (таблица В.2 приложения В Пособия 3.03.01-96 к СНиП 2.05.02-85); P_m – доля m-го типа автомобиля в составе транспортного потока.

Таблица 14.3. Значения коэффициента, учитывающего число полос движения и распределение движения по ним

Примечания. 1. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в одном направлении. 2. Для расчета обочин принимается f_пол=0,01, для расчета остановочных полос f_пол > 0,33. 3. На многополосных дорогах допускается проектировать одежду переменной толщины по ширине проезжей части, рассчитав дорожную одежду в пределах различных полос в соответствии с расчетными значениями N_р. 4. На перекрестках и подходах к ним при расчете дорожной одежды в пределах всех полос движения нужно принимать f_пол=0,50, если общее число полос проезжей части проектируемой дороги более трех. 5. В городских условиях на многополосных улицах и дорогах значения f_пол могут отличаться от приведенных. В этом случае f_пол следует уточнять на основе натурных наблюдений.

Перспективную суммарную интенсивность движения автомобилей с грузоподъемностью более 5т в обоих направлениях на дороге определяют по формуле

, (14.2)

где N_o – интенсивность движения в первый год службы дороги, ед/сут; q – коэффициент среднегодового прироста интенсивности движения; Т – число лет службы дороги до капитального ремонта (см. табл. 14.2).

Коэффициент роста интенсивности движения определяют на основании учета движения на дороге. Рассчитывают вначале частные значения q_i

, (14.3)

где N_Тi и N_Тi-1 – соответственно интенсивности движения в последующий и предыдущий годы, ед/сут.

Расчетные значения коэффициента роста интенсивности движения определяют по зависимости

, (14.4)

где T_i – период, в течение которого проводились наблюдения за интенсивностью движения, годы.

При отсутствии данных длительных наблюдений принимают q = 0,05. Наблюдения за интенсивностью движения проводят, как правило, на основе выборочного метода, когда характеристики транспортного потока фиксируют только на отдельных учетных пунктах или только в определенное время.

Для транспортных средств, не указанных в таблице В.2 Пособия 3.03.01-96, а также при расчетных нагрузках, отличающихся от нормированных для автомобилей группы А, значения коэффициента приведения следует определять по зависимости

, (14.5)

где – наибольшая эквивалентная нагрузка от колеса автомобиля, кН; Q_p – расчетная колесная нагрузка, кН.

Полученное значение коэффициента S_m следует принимать для усовершенствованных капитальных типов дорожной одежды. Для других типов дорожных одежд коэффициент S_m следует назначать по аналогии с ближайшим по параметрам автомобилем.

При проектировании дорожных одежд для многоколесных транспортных средств, а также при определении возможности единичных проездов таких автомобилей по существующей дороге в качестве расчетной принимают наибольшую эквивалентную нагрузку с параметрами р и .

Эквивалентную нагрузку определяют с учетом влияния колес данной оси и соседних осей, расположенных друг от друга на расстоянии менее 2,5 м.

Для расчета дорожной одежды на воздействие движущегося многоколесного транспортного средства эквивалентная нагрузка

, (14.6)

где ; Q_ni – номинальная статическая нагрузка на i-оe колесо, кН (с одиночными или спаренными шинами) n-ой оси; g_n-1, g_n+1 – коэффициенты, характеризующие соответственно влияние впереди и сзади идущих колес движущегося транспортного средства на напряженно-деформированное состояние дорожной одежды под данным колесом n-ой оси и определяемые по графику (рис. 14.3) в зависимости от отношения расстояния L между осями к диаметру D_д следа данного колеса; К_дин – коэффициент динамичности, учитывающий повышение нагрузки на покрытие при колебаниях транспортного средства, принимаемый равным 1,3; q_i-1, q_i+1 – коэффициенты, характеризующие дополнительное воздействие других колес данной n-ой оси и определяемые по графику (рис. 14.4). При 1 < l/D_д < 2 принимают q(l) = 1; l – расстояние между соседними колесами.

Рис. 14.3. Зависимость коэффициентов g_n-1 и g_n+1 отношения L/D_д

Рис. 14.4. Зависимость коэффициентов q от отношения l/D_д при приведении к расчетным автомобилям группы А и Б

Определив для различных колес многоколесного транспортного средства, находят наибольшее значение эквивалентной нагрузки, которое принимают за расчетное. Параметры расчетной эквивалентной нагрузки, кН

, , (14.7)

где р_в – давление воздуха в шине колеса, которому соответствует наибольшая эквивалентная нагрузка, кН.

Конструкция дорожной одежды считается прочной, если коэффициент прочности на растяжение при изгибе и упругому прогибу больше или равен К_пр, найденного с учетом требуемого уровня надежности проектируемой одежды (табл. 14.4), а коэффициент фильтрации материала дренирующего слоя и его толщина обеспечивают своевременный отвод избыточной воды.

Таблица 14.4. Значения коэффициентов надежности и прочности

Независимо от результатов расчета минимальная толщина конструктивных слоев не должна быть менее следующих значений (см):

– асфальтобетон крупнозернистый – 6-7;

– асфальтобетон мелкозернистый – 3-5;

– асфальтобетон песчаный – 3-4;

– асфальтобетон холодный – 3;

– щебеночные (гравийные) материалы, обработанные органическими вяжущими – 8;

– щебень, обработанный по способу пропитки – 8;

– щебеночные и гравийные материалы, не обработанные вяжущими, на песчаном основании – 15;

– щебеночные и гравийные материалы, не обработанные вяжущими, на прочном основании (каменном или из укрепленного грунта) – 8;

– грунты и малопрочные каменные материалы, обработанными органическими комплексными или неорганическими вяжущими – 10.

Здесь большие значения даны для дорог I-II категории, меньшие для III-IV. Толщина слоя должна превышать размер наиболее крупных частиц каменных материалов не менее, чем в 1,5 раза (кроме слоев, устраиваемых по способу пропитки). При устройстве слоев износа минимальная толщина может быть менее 3 см.

14.3. Расчет нежестких дорожных одежд по допускаемому упругому прогибу

С точки зрения строительной механики дорожные одежды представляют собой многослойные системы, состоящие из слоев разной жесткости, лежащих на упругоизотропном полупространстве – грунтовом массиве.

Передача давления, осадка и сжатие отдельных слоев многослойных систем зависят от толщины отдельных слоев, соотношения их модулей упругости и коэффициентов Пуассона, возможности смещения слоя по слою в процессе деформации. Для неоднородных нелинейно деформируемых материалов, к которым относятся конструктивные слои дорожных одежд (асфальтобетон, уплотненный щебень и т.п.), еще не найдено теоретических решений, позволяющих рассчитать напряжения, передающиеся на грунтовое основание. Поэтому с некоторой долей условности при расчетах дорожных одежд исходят из закономерностей распределения напряжений в многослойных системах, разработанных в теории упругости. Применимость этих схем к дорожным одеждам обосновывается тем, что при малых прогибах они работают как линейно деформируемые многослойные системы.

Задачи о напряженном состоянии многослойных систем решены лишь для некоторых частных случаев. Трудность задачи возрастает с увеличением числа рассматриваемых слоев и поэтому большинство решений относится к двухслойным системам, у которых верхний слой имеет больший модуль упругости, чем нижний.

Решения обычно даются в виде таблиц напряжений и вертикальных перемещений двух- и трехслойных систем под действием вертикальной нагрузки, равномерно распределенной по круглой площадке (рис. 14.5). В таблицах приводятся значения смещений поверхности полупространства и напряжений в слоях для разных соотношений модулей упругости E₁/Е₂, толщин слоев и диаметра площадки, через которую передается нагрузка, h/D при разных коэффициентах Пуассона.

Рис. 14.5. Схема двухслойной системы для расчета толщины дорожных одежд

Конструкции применяемых дорожных одежд весьма разнообразны. Для обеспечения их равнопрочности и возможности сопоставления разных вариантов по прочности их оценивают эквивалентным модулей упругости – общим модулем упругости – модулем такого однородного полупространства, которое при приложении расчетной нагрузки имеет такую же деформацию, как многослойная дорожная одежда (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Схема к определению понятия об общем (эквивалентном) модуле упругости многослойной системы: а – многослойная система после деформации (пунктиром показано первоначальное положение слоев); б – эквивалентное однородное пространство

При назначении общего (эквивалентного) модуля упругости для расчета толщины нежестких дорожных одежд необходимо учитывать, что под воздействием многократно прилагаемых нагрузок и температурных колебаний в дорожных одеждах возникают явления усталости. Зерна минеральных материалов истираются и дробятся, трение и сцепление между ними уменьшаются, а органические вяжущие материалы, которыми они связаны, под влиянием процесса старения становятся хрупкими.

Наблюдения на дорогах и лабораторные испытания моделей показали, что одежды, имевшие значительную прочность при расчете на однократное приложение нагрузки, разрушались после многократных воздействий нагрузок, меньших расчетной. Чем больше число приложений нагрузки, тем интенсивнее снижается прочность дорожной одежды.

Упругий прогиб дорожной одежды, являясь показателем жесткости, характеризует также прочность одежды, которую можно оценить, сопоставляя фактический модуль с требуемым модулем E_тр, вычисляемым с пользованием величины допустимого упругого прогиба.

Требуемый модуль упругости E_тр в соответствии с Пособием 3.03.01-96 определяется по графику (рис. 14.7) в зависимости от вида расчетной нагрузки и перспективной эквивалентной интенсивности движения на одну полосу N_р. Если за расчетный принят автобус с нагрузкой на ось 110 кН (группа А) или 70 кН (группа Б), то требуемые модули упругости, определенные по графику следует увеличивать на 10%. При земляном полотне, сложенном из песчаных грунтов, необходимо требуемый модуль упругости увеличить на 5%.

Во всех случаях значения требуемых модулей не должны быть ниже минимально допустимых значений, приведенных в табл.14.5.

Прочность дорожной одежды по критерию упругого прогиба обеспечена при условии

, (14.8)

где Е_общ – общий модуль упругости дорожной одежды, Па; К_пр – коэффициент прочности, определяемый по табл. 14.4.

Рис. 14.7. Номограмма для определения требуемого суммарного модуля упругости при расчетах по упругим деформациям

Таблица 14.5. Значения минимального требуемого модуля упругости дорожной одежды

Примечание. Интенсивность воздействия нагрузки в скобках приведена для группы Б, без скобок – для группы А

Расчет дорожной одежды по допустимому упругому прогибу выполняют с использованием номограммы (рис. 14.8) следующим образом:

1) в зависимости от категории дороги и намеченного типа покрытия по табл. 14.4 устанавливается минимальное значение коэффициента прочности одежды К_пр;

2) по формуле (14.1) вычисляется перспективная эквивалентная интенсивность N_р на одну полосу в сутки;

3) по графику (см. рис. 14.7) определяется требуемый модуль упругости Е_тр, который при необходимости корректируется с учетом табл. 14.5;

4) вычисляется по формуле (14.8) общий модуль упругости Е_общ;

5) общая толщина верхних слоев, содержащих органическое вяжущее, предварительно назначается в пределах: при Е_общ=250-300 МПа – 0,13-0,16 м; Е_общ = 220-250 МПа – 0,10-0,13 м; Е_общ = 180-220 МПа – 0,08-0,10 м; Е_общ =125-180 МПа – 0,06-0,08 м; Е_общ < 125МПа – 0,04-0,06 м.

6) проводя послойный расчет сверху вниз по номограмме рис. 14.8, определяется общий модуль упругости на поверхности основания (при этом, вычисляя Е_общ/Е₁ и h₁/D, по монограмме определяется Е₂/Е₁ и рассчитывается Е₂= );

7) затем проводится послойный расчет снизу вверх и определяется общий модуль упругости на поверхности дополнительного слоя основания либо (в зависимости от числа вышележащих слоев). При этом, определив отношение модуля упругости грунта Е_гр к модулю упругости материала дополнительного слоя основания Е_дс, т. е. Е_гр/ Е_дс= Е₂/Е₁, и отношение толщины дополнительного слоя основания к диаметру следа колеса расчетного автомобиля h_дс/D по номограмме устанавливается Е_общ/Е₁= /Е_дс и вычисляется ;

Рис. 14.8. Номограмма для определения общего модуля упругости Е_общ двухслойной системы: цифры на кривых соответствуют отношению Е_общ/Е₁; Е₁ – модуль упругости верхнего слоя; Е₂ – общий модуль упругости на поверхности подстилающего верхний слой полупространства; h – толщина верхнего слоя; D – диаметр следа колеса расчетного автомобиля

8) определяется толщина слоя основания h_осн, вычислив отношения /Е_осн= Е₂/Е₁ и /Е_осн= Е_общ/Е₁ и определив но номограмме h/D = h_осн/D.

При числе слоев, превышающем четыре (включая грунт земляного полотна), проводится дополнительный расчет аналогично рассмотренному. Полученные расчетом мощности слоев должны быть не менее минимально допустимых. Минимальная толщина дополнительного слоя основания из песка принимается по табл. 14.6.

Таблица 14.6. Минимальная толщина дополнительного слоя основания из песка, м

Грунт земляного полотна повышенной плотности можно рассматривать как самостоятельный слой дорожной одежды. Его расчетные характеристики рекомендовано принимать примерно на 50% выше нормируемых для данных условий.