книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РСФСР

профессора, доктора технических наук

Н. Н. ИВАНОВА

т

МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Задачи, поставленные X X I V съездом КПСС в области дальней­ шего развития автомобильного транспорта и дорожного строитель­ ства, выдвигают важные проблемы по расширению объема и повыше­ нию качества строительства автомобильных дорог в СССР. При этом все большее значение приобретает принятие научно обоснованных, оптимальных решений по различным конструктивным элементам дороги.

Непрерывный рост движения как по интенсивности, так и по коли­ честву автомобилей повышенной грузоподъемности вызывает необ­ ходимость в строительстве все более мощных и дорогостоящих дорож­ ных одежд. В связи с этим необходимо дальнейшее совершенствование методов расчета и конструирования дорожных одежд. Эти методы должны полнее учитывать многочисленные факторы, воздействующие на одежду.

Огромная территория СССР с широким разнообразием природных условий не позволяет принимать типовые решения при назначении конструкций дорожных одежд. Разработка .-оптимальных конструк­ ций возможна только на основе глубокого теоретического анализа закономерностей, которым подчиняются дорожные одежды под влия­ нием действующих на них факторов. Это явилось одной из причин того, что в СССР раньше, чем в других странах, начались теорети­ ческие исследования в области механики нежестких и жестких до­ рожных одежд. Исследования сопровождались значительным объемом экспериментальных работ.

Более 30 лет назад большим коллективом ученых под руководством проф. Н. Н. Иванова был разработан и в 1943 г. опубликован метод расчета нежестких дорожных одежд, названный методом Союздорнии. Он был признан наиболее передовым из известных в мировой практике и получил широкое применение. За рубежом его часто называют «ме­ тод Иванова». Дальнейшие исследования в данной области позволили существенно развить методику расчета нежестких одежд. Результаты этих исследований неоднократно публиковались, были доложены на многих крупных совещаниях дорожников внутри страны и за рубе­ жом, включая международные дорожные конгрессы и конгрессы по механике грунтов и фундаментостроению. Однако работы, обобщаю­ щей материалы таких исследований, опубликовано не-было.

Данная монография является результатом многолетнего труда не­ скольких коллективов, занимающихся конструированием и расчетом

3

Ч а с т ь I

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАСЧЕТА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

§ 1.1. Общие положения

Дорожную одежду считают прочной, если под воздействием мно­ гократно повторяющихся нагрузок от движущихся транспортных средств она сохраняет в течение заданного срока сплошность и доста­ точную ровность.

Современные дорожные одежды могут быть разделены на две группы: а) жесткие, у которых один или несколько слоев обладают сопротивлением изгибу и модулем упругости, практически не зави­ сящими от температуры и влажности и маломеняющимися в тече­ ние всего срока службы одежды. К ним относят одежды с цементнобетонными покрытиями и основаниями; б) нежесткие, у которых сопротивление изгибу и модули упругости слоев существенно зависят от температуры и влажности либо сопротивление изгибу практически

В результате последних исследований методы расчета жестких и нежестких дорожных одежд значительно сближаются. В частности, установлено, что и те-и другие одежды, кроме низших типов, должны работать в упругой стадии. Одним из основных механических пока­ зателей конструктивных слоев являются их модули упругости. Учи­ тывают способность связных слоев (цементобетон, асфальтобетон и др.) той и другой одежды работать на изгиб, а слоев из несвязных мате­ риалов и подстилающих грунтов воспринимать сдвигающие напряже­ ния. Но существуют еще особенности в расчете жестких и нежестких одежд. Данная книга посвящена в основном конструированию и рас­ чету нежестких дорожных одежд.

Нежесткая одежда обычно состоит из нескольких слоев различной прочности и жесткости. Верхний слой или несколько слоев составляют покрытие, от которого зависят в первую очередь транспортноэксплуатационные свойства одежды. Один или несколько слоев обра-

5

зуют основание, назначение которого состоит в том, чтобы придать одежде прочность при воздействии нагрузок и устойчивость против климатических факторов. Земляное полотно в значительной степени определяет прочность всей дорожной одежды, и его свойства должны быть всесторонне учтены при расчете и конструировании одежды. Очень большое значение имеет обеспечение устойчивости земляного полотна, защита его от увлажнения и морозного пучения1 .

§ 1.2. Факторы, действующие на дорожную одежду

Дорожная одежда воспринимает различные виды колесной на­ грузки с пневматическими шинами (автомобили, прицепы, в неболь­ шом количестве тракторы). Эта нагрузка вызывает горизонтальные и вертикальные усилия. Горизонтальные усилия, достигающие зна­ чительной величины лишь в местах торможения транспортных средств, при изменении скорости, на крутых уклонах, и кривых, затухают в верхних слоях покрытия. Их нужно учитывать при проектировании состава смесей для покрытий. На общую прочность одежды они прак­ тически не влияют.

Вертикальные усилия проникают на значительную глубину, по­ степенно затухая. Напряжения, возникающие в данной точке под поверхностью покрытия, при прочих равных условиях тем больше, чем выше удельное давление от колеса на дорогу и больше площадь его отпечатка.

Для упрощения теоретических и экспериментальных исследова­ ний отпечаток колеса обычно принимают в виде круга диаметром D (рис. 1.1)^ К существенной ошибке это не приводит, так как основное значение имеет распределение нагрузки в нижних наиболее слабых слоях основания и в грунте земляного полотна.

6

В расчет обычно принимают автомобили с нагрузкой на колесо 2000 кГ (4000 кГ на ось) и более. Расчетным считают наиболее тяже­

на ось менее 4000 кГ может возникнуть необходимость учета в про­ цессе расчета дорожных одежд поля воздействия всего потока авто­ мобилей, включая легковые.

Нагрузки от автомобильных колес прилагаются многократно, что способствует возникновению усталости, особенно в связных слоях, а также приводит к постепенному износу несвязных материалов (ще­ бень, гравий). Этот фактор нужно учитывать при назначении расчет­ ных показателей дорожной одежды.

В реальных условиях дорожная одежда подвержена воздействию главным образом кратковременной нагрузки от движущихся автомо­ билей. Такая нагрузка в отличие от статической (стоящий автомобиль) приводит к несколько более быстрому затуханию напряжений по глубине, вызывает при прочих равных условиях меньшую деформацию дорожной одежды. Указанные явления ведут к некоторому облегчению условий работы дорожной одежды под кратковременной нагрузкой. С другой стороны, возникают динамические перегрузки дорожной одежды от толчков вследствие тех или иных неровностей на проезжей части. В связи с этим, с определенным допущением, расчет дорожных одежд обычно производят на статическую нагрузку с учетом много­ кратности ее приложения. Но в настоящее время уже проведено зна­ чительное количество исследований, позволяющих учитывать в рас­ чете особенности кратковременной нагрузки от движущихся автомо­ билей (см. § I I I . 14).

Кроме колесной нагрузки, на нежесткую дорожную одежду зна­ чительное влияние оказывает воздействие факторов, связанных с кли­ матическими условиями (влажность, температура).

Увлажнение грунта земляного полотна, особенно пылеватого, и ряда материалов, используемых в дорожной одежде, несвязных и

Наиболее значительное увлажнение наблюдается в большинстве райо­ нов нашей страны в весенний период после осенне-зимнего влагонакопления. В крайних южных районах страны усиленное увлажнение грун­ та может происходить зимой.

Мелкозернистые пылеватые грунты в районах избыточного увлаж­ нения и значительного промерзания зимой нередко вспучиваются. Это может привести к появлению растягивающих напряжений в верх­ ней зоне связных материалов конструктивных (слоев и появлению трещин. Вопросы проектирования дорожной одежды с учетом мороз­

• Температура воздуха оказывает существенное влияние на свойства материалов дорожных одежд, содержащих органические вяжущие. При низких температурах значительно повышается их модуль упруго-

7

сти и соответственно снижается деформативная способность, повышает­ ся хрупкость. При повышенных температурах снижаются модули упру­ гости указанных материалов и их сдвигоустойчивость. Вопросы сдвигоустойчивости асфальтобетона и других материалов, содержащих органические вяжущие, изложены подробно в специальной литературе и в данной работе не освещены.

Кроме того, следует учитывать, что материалы, насыщенные водой, при отрицательных температурах, особенно при частых переходах через 0°, подвержены морозному разрушению, что приводит к сни­ жению их механических свойств. Подобное же явление может наблю­ даться и при отсутствии значительного количества влаги, но при резких колебаниях температуры.

§ 1.3. Показатели прочности дорожной одежды

Анализ работы дорожной одежды под влиянием рассмотренных выше факторов (см. § 1.2) позволяет установить основные показатели, определяющие состояние дорожной одежды с точки зрения ее проч­ ности.

Под действием вертикальной нагрузки от колеса автомобиля в слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна возникают сдвигающие напряжения (см. рис. 1.1). Если эти напряжения превы­ шают сопротивление сдвигу материала или данного грунта, то вслед­ ствие нарушения предельного равновесия возникают постепенно на­ капливающиеся от многократной нагрузки остаточные деформации. В результате дорожная одежда начинает разрушаться. Отсюда следует, что всякая прочная дорожная одежда в течение круглого года не должна иметь остаточных деформаций, т. е. должна работать в стадии обратимых (упругих) деформаций. Опасность нарушения предельного равновесия, помимо грунтов, часто возникает в несвязных материалах (песок, гравий, загрязненный щебень). Сопротивляемость сдвигу обыч­ но резко снижается в весенний период (в южных районах — зимой) при повышенном увлажнении и разуплотнении, нередко возникающих в I — I I I климатических зонах вследствие образования зимой ледяных линз. Повторяемость нагрузок на величину сопротивления сдвигу влияет несущественно, но способствует накоплению остаточных деформаций.

Растягивающие напряжения, возникающие под колесной нагруз­ кой в связных слоях (см. рис. 1.1), способных работать на изгиб, могут превзойти сопротивление этих материалов растяжению при изгибе. Под действием многократно повторяющейся нагрузки от проходящих автомобилей вследствие явления усталости сопротивления растяже­ нию постепенно снижаются. В материалах, содержащих органическое вяжущее, с понижением температуры сопротивления растяжению при изгибе несколько возрастают, но одновременно резко возрастают и модули упругости этих материалов. В результате значительно уве­ личиваются фактические растягивающие напряжения и опасность нарушения предельного равновесия по растяжению возрастает. Такая ситуация особенно часто возникает весной (в крайних южных районах

8

зимой), когда грунт земляного полотна и нижние слои основания ослаб­ лены, а температура воздуха еще достаточно низка.

Под воздействием колесной нагрузки в дорожной одежде, как известно, возникает прогиб, характеризующий общую деформативную способность (жесткость) дорожной одежды. Как было указано выше, всякая прочная дорожная одежда должна работать в упругой стадии, т. е. ее прогиб после снятия нагрузки должен полностью восстанавли­ ваться. Чем выше модули упругости конструктивных слоев дорожной одежды, тем при прочих равных условиях меньше общий прогиб дорожной одежды и выше ее распределяющая способность. В этом случае в нижних слоях основания и грунте земляного полотна возни­ кают меньшие напряжения и снижается возможность нарушения предельного равновесия по сдвигу. Если снижение прогиба происхо­ дит вследствие повышения модуля упругости грунта, то и в этом слу­ чае опасность нарушения равновесия по сдвигу уменьшается. Ука­ занный факт связан с тем, что возрастание модуля упругости данного грунта обусловлено снижением его влажности и повышением плотно­ сти, а следовательно, увеличением сдвигоустойчивости. При умень­ шении упругого прогиба в общем случае снижаются величины растя­ гивающих напряжений от изгиба в связных слоях. Это ведет к умень­ шению возможности нарушения предельного равновесия по растя­ жению.

Таким образом, упругий прогиб дорожной одежды под нагрузкой или ее общий модуль упругости, не являясь сами по себе-прочност­ ными характеристиками, тесно связаны с ними. Поэтому величину упругого прогиба дорожной одежды под расчетной нагрузкой либо вычисленный общий модуль упругости можно рассматривать с не­ которой условностью как показатели прочности. Причем эта харак­ теристика, как видно из предыдущего, является обобщающей, объ­ единяя в себе и другие показатели прочности. Указанный факт поз­ волил в течение длительного периода производить расчет нежесткой дорожной одежды, только основываясь на показателях ее деформативности под нагрузкой и принимая эти показатели за характеристику прочности [12]. При расчете, особенно усиления нежестких дорожных одежд, этот показатель в настоящее время принимают как основной во многих странах [5, 20, 21, 22].

Одной из положительных сторон применения в качестве показа­ теля прочности упругого прогиба является простота его измерения в полевых условиях и доступность проведения таких испытаний прак­ тически для любой дорожной организации. В то же время определе­ ние в полевых условиях сопротивления сдвигу и сопротивления рас­ тяжения при изгибе представляет значительную трудность. Такие испытания обычно производят в лаборатории, что вносит определен­ ную условность в полученные результаты.

Данные исследований последних лет, проведенных на современных конструкциях дорожных одежд нежесткого типа, показывают, что в ряде случаев нет строгой линейной зависимости между упругими прогибами, сопротивлением сдвигу и прочностью на изгиб. Поэтому

неучет одного из перечисленных показателей может привести к недо-

9