V . Проектирование дорожной одежды

Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей на проезжей части дороги устраивают дорожную одежду, которая представляет собой уложенную на поверхности земляного полотна твердую монолитную конструкцию из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию климатических факторов и колес транспортных средств.

Напряжения, возникающие в дорожной одежде при проезде автомобилей, затухают с глубиной. Это позволяет проектировать дорожную одежду многослойной, используя в отдельных ее слоях материалы различной прочности в соответствии с действующими усилиями и интенсивностью влияния природных факторов.

В дорожной одежде различают следующие слои:

Покрытие – верхний, наиболее прочный, обычно водонепроницаемый, относительно тонкий слой одежды, хорошо сопротивляющийся истирающим, ударным и сдвигающим нагрузкам от колес, а также воздействию природных факторов. Покрытие обеспечивает необходимые эксплуатационные качества дороги. В конструкции покрытия, помимо основного слоя, обеспечивающего необходимые качества, предусматривается запасной слой (слой износа), не входящий в расчетную толщину и подлежащий периодическому восстановлению в процессе эксплуатации дороги. Поверхностную обработку применяют также для повышения шероховатости гладких покрытий в процессе эксплуатации.

Основание – несущая прочная часть одежды, устраиваемая из каменных материалов или грунта, обработанного вяжущими материалами. Оно предназначено для передачи и распределения давления на расположенные ниже дополнительные слои одежды или на грунт земляного полотна и потому должно быть монолитным и устойчивым против сдвига и изгиба.

Грунт земляного полотна – тщательно уплотненные и спланированные верхние слои земляного полотна, на которые укладывают слои дорожной одежды. Прочность дорожной одежды может быть обеспечена лишь на однородном, хорошо уплотненном, не подверженном пучению земляном полотне при обеспеченном водоотводе.

Дорожная одежда является самой дорогостоящей частью автомобильной дороги. Затраты на ее устройство иногда достигают 60% общей стоимости строительства. Подвергаясь непосредственному воздействию транспортных нагрузок и природных факторов, дорожные одежды работают в более тяжелых условиях, чем другие сооружения на дороге. Поэтому к назначению конструкции дорожных одежд следует подходить особенно внимательно, сочетая стремление к обеспечению прочности с всемерным снижением стоимости строительства и уменьшением количества материалов.

Процесс проектирования дорожной одежды состоит из трех последовательных этапов:

1) конструирование;

2) расчет конструкции на прочность и морозостойкость;

3) экономическое сравнение вариантов конструкций и выбор наиболее эффективного, который и рекомендуется к строительству.

В соответствии с I категорией дороги, назначаем капитальный тип покрытия нежесткой дорожной.

Исходные данные:

- Дорога расположена во II ДКЗ, в Минской области;

- Категория автомобильной дороги I ;

- Заданный срок службы дорожной одежды T =20 лет;

- В расчете принята четырехполосная дорога с суточной интенсивностью движения грузовых автомобилей на 20-й год эксплуатации 17000груз.авт./сут.

Состав движения:

Типы автомобилей	Доля в потоке	Суточная интенсивность движения ТС данной марки (в оба направления) на последний год срока службы , Nm, груз.авт./сут
Легкие	0,20	3400
Средние	0,27	4590
Тяжелые	0,03	510
Очень тяжёлые	0,28	4760
Автобусы	0,12	2040
Тягачи с прицепом	0,1	1700
Итого	1,0	17000

 

- Заданная надёжность К =0.98;

- Приращение интенсивности q=1,12;

- Грунт рабочего слоя земляного полотна – супесь пылеватая;

- Материал для основания – песок;

- Высота насыпи составляет 1,5м;

- Толщина дорожной одежды – 0,86м;

- Схема увлажнения земляного полотна – 1;

- Глубина залегания грунтовых вод – не обнаружены.

 

Расчет на прочность

 

Рассчитываем дорожную одежду по трем критериям: на сопротивление упругому прогибу всей конструкции, на сопротивление сдвигу в грунте и слоях слабосвязанных материалов, на сопротивление растяжению при изгибе монолитных слоев.

1.1Определяем суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы.

Рассчитываем приведенное к расчетной нагрузке среднесуточное (на конец срока службы) число проездов всех колес, расположенных по одному борту расчетного автомобиля, в пределах одной полосы проезжей части .

Расчет ведем в табличной форме.

Расчет параметра N_p

Тип ТС	fпол	Nm, груз.авт./сут.	Smсум	Nр(m),расч.авт/сут
Легкие грузовые	0,35	3400	0,005	17
Средние грузовые	0,35	4590	0,2	918
Тяжелые грузовые	0,35	510	0,7	357
Очень тяжелые	0,35	4760	1,25	5950
Автобусы	0,35	2040	0,7	1428
Тягачи с прицепом	0,35	1700	1,5	2550
Итого	-	∑Nm=17000	-	3927

 

N_p=f_пол∙∑N_mS_mсум=0,35(3400∙0,005+4590∙0,2+510∙0,7+4760∙1,25+2400∙0,7+1700∙1,5)=3927авт/сут.

 

1.2 Вычисляем суточную, приведенную к расчетному автомобилю, интенсивность движения в первый год службы.

 

N₁=(3400∙0,005+4590∙0,2+510∙0,7+4760∙1,25+2400∙0,7+1700∙1,5)/1,12^(20-1)=1303 авт/сут.

 

1.3 Определяем коэффициент суммирования

 

К_с=1,12²⁰-1/1,12-1=72,05.

 

1.4 Вычисляем суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы:

 

∑N_р=0,7f_пол∙ N₁∙ К_с∙Т_рдг∙К_n

Т_рдг=134

К_n=1,49

∑N_р=0,7∙0,35∙1303∙72,05∙135∙1,49=4626627 авт.

 

1.5 Проверим достоверность полученного параметра ∑N_р

Расчет параметра ∑N_р

Тип ТС	fпол	Nm, груз.авт./сут.	Nm1=Nm(Тсл)/q(Тсл-1)	Smсум	∑( Nm1 Smсум)
Легкие грузовые	0,35	3400	395	0,005	2
Средние грузовые	0,35	4590	533	0,2	107
Тяжелые грузовые	0,35	510	59	0,7	41
Очень тяжелые	0,35	4760	553	1,25	691
Автобусы	0,35	2040	237	0,7	166
Тягачи с прицепом	0,35	1700	197	1,5	296
Итого	-	∑Nm=17000		-	1303

 

Получаем, что

 

∑N_р=0,7∙0,35∙72,05∙135∙1,49∙1303=4626627 авт.

 

2.Определяем расчетные характеристики грунта рабочего слоя земляного полотна.

2.1.Определяем расчетную влажность грунта рабочего соя:

 

W_p=(W_таб+∆₁W-∆₂W)(1+0,1t)-∆₃

 

W_таб=0,67 для условий II2 дорожно – климатической подзоны, 1-й схемы увлажнения и грунта – супеси пылеватой.

 

∆₁W=0.

∆₂W=0,05.

 

t=2,19 для уровня надежности 0,98.

Получаем, что

 

W_p=(0,67+0+0,05)(1+0,1∙2,19)=0,88 (в долях от W_т).

 

2.2.Определяем величину модуля упругости (Е), сцепления (j ) грунта рабочего слоя.

Для грунта супеси пылеватой при W_p=0,88 W_т величина С=0,003, аj =9° при∑N_p>10⁶

Для супеси пылеватой величина Е=26,7 МПа.

3.Предварительно намечаем конструкцию дорожной одежды со следующими значениями толщин:

- асфальтобетон плотный на БНД марки 60/90 -5см;

-асфальтобетон пористый на БНБ марки 60/90 -6см;

-асфальтобетон высокопористый на БНБ марки 60/90 -20см;

-щебень фракционированный с заклинкой активным мелким шлаком -30см;

-песок, обработанный цементом, соответствующий марке 100 -25см.

 

Расчетные характеристики слоев

№	Материал слоя	h слоя, см	Расчет упруг. прогибу, Е, МПа	Расчет по условию сдвигоустойчивости			Расчет на растяжение при изгибе
				Е,МПа	С	j	Е, МПа	Ro, МПа	a	m
1.	Асфальтобетон плотный на БНД марки 60/90	5	3200	1800	-	-	4500	9,8	5,2	5,5
2.	Асфальтобетон пористый на БНД марки 60/90	6	2000	1200	-	-	2800	8,0	5,9	4,3
3.	Асфальтобетон высокопористый на БНД марки 60/90	20	2000	1200	-	-	2100	5,65	6,3	4,0
4.	Щебень с заклинкой активным мелким шлаком	30	400	400	-	-	400	-	-	-
5.	Крупно-зернистый песок, обработанный цементом	25	950	950	-	-	950	-	-	-
6.	Супесь пылеватая Wp=0,88 Wт	-	26,7	26,7	0,003	9	26,7	-	-	-

4. Расчет по допускаемому упругому прогибу ведем послойно снизу вверх.

 

1)

р=0,6 МПа, D=37см, тогда

 МПа

2)

 МПа

3)

 МПа

4)

МПа

5)

МПа

 

6) Требуемый модуль упругости определяем по формуле:

 

Е_тр=98,65[lg(∑N_р)-3,55]=98,65[lg(∑4626627)-3,55]=307МПа.

 

7)Определяем коэффициент прочности по упругому прогибу:

 

 

Требуемый минимальный коэффициент прочности для расчета по допускаемому упругому прогибу - 1,5.

Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу.

5. Расчёт по условию сдвигоустойчивости в грунте.

1).Для определения приводим предварительно назначенную дорожную конструкцию приводим к двухслойной расчетной модели.

В качестве нижнего слоя модели принимаем грунт (супесь пылеватая) со следующими характеристиками: (при W_p = 0,88W_Т и SN_p = 4626627 авт.) Е_н = 26,7 МПа, j = 9° и с = 0,003 МПа.

Вычисляем модуль упругости верхнего слоя модели.

Значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, назначаем при расчетной температуре +20 °С.

 

 МПа.

 

2)По отношениям  и  и при j = 9° с помощью номограммы находим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки:  = 0,008 МПа.

3)Вычисляем действующие в грунте активные напряжения сдвига

 

Т = ∙Р = 0,008×0,6 = 0,0048 МПа.

 

4)Определяем предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя по формуле

 

,

С_N = 0,003 МПа

К_д = 4,5

Z_оп = 86 см

j_ст = 34°

_cp = 0,002 кг/см²

Т_пр = 0,004×4,5 + 0,1×0,002×86×tg 34° = 0,0251,

 

где 0,1 - коэффициент для перевода в МПа.

5)Проверяем выполнение условия прочности

 

, что больше

 

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу .

6. Расчёт конструкции дорожной одежды на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе.

Расчет выполняем в следующем порядке:

1) Приводим конструкцию к двухслойной модели, где нижний слой модели - часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев. Модуль упругости нижнего слоя равен

 

Е_н =  = 114МПа

 

К верхнему слою относят все асфальтобетонные слои.

Модуль упругости верхнего слоя (h_в = 31):

 

 МПа

 

2) По отношениям  и  по номограмме определяем  = 0,85

Расчетное растягивающее напряжение:

 

 = 0,85×0,6×0,85 = 0,43 МПа.

 

3) Вычисляем предельное растягивающее напряжение по формуле:

 

 

R_o = 5,65 МПа для нижнего слоя асфальтобетонного пакета

 

ν_R = 0,1

t = 2,19

m = 4; a = 6,3

SN_p = 4626627 авт.

k₂ = 0,85

R_N = 5,65×0,136×0,85(1 - 0,1×2,19) = 0,51 МПа

4)  = 1,19, что больше, чем  = 1,1.

 

Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет критерию на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе.

7.Проверка конструкции на морозоустойчивость.

1)По карте находим среднюю глубину промерзания для условий г. Минска и по формуле определяем глубину промерзания дорожной конструкции z_пр:

 

z_пр= z_пр(ср) ×1,38=1,242≈1,5м.

 

2)Для глубины промерзания 1,5м. по номограмме по кривой для сильнопучинистых грунтов определяем величину морозного пучения для осредненных условий: l _пуч.ср. =6см.

По таблицам и графикам находим коэффициенты К_угв=0,45; К_пл=1; К_гр=1,1: К_нагр=1; К_вл=1,2.

По формуле находим величину пучения для данной конструкции:

 

l _пу= l _пуч.ср × К_угв× К_пл× К_гр× К_нагр× К_вл=6×0,45×1×1,1×1×1,2=3,56см.

 

Поскольку для данного типа дорожной одежды допустимая величина морозного пучения составляет 4см, данная конструкция дорожной одежды удовлетворяет критерию на морозоустойчивость.

Вывод. Данная конструкция дорожной одежды удовлетворяет всем критериям прочности.