13.5. Расчетные характеристики грунтов и материалов конструктивных слоев дорожных одежд

Надежные результаты расчетов толщины дорожных одежд могут быть получены только при использовании достоверных значений параметров, характеризующих материалы конструктивных слоев одежды и подстилающего грунта. При проектировании новых дорог обычно пользуются приводимыми в нормативных документах таблицами расчетных значений модулей упругости грунтов и материалов конструктивных слоев дорожной одежды. При разработке проектов реконструкции дорог, когда возникает вопрос об усилении изношенной существующей дорожной одежды, ее модули упругости определяют экспериментально, измеряя прогиб под колесом тяжелого грузового автомобиля и вычисляя по нему модули так называемым методом обратного перерасчета, используя формулы для расчета дорожных одежд по измеренным прогибам. Этот метод является также основным при накоплении данных для нормирования расчетных параметров грунтов.

В связи с тем, что для грунтов нет прямой пропорциональности между давлением и деформацией, модуль упругости изменяется при различных значениях погружения штампа. Малым деформациям соответствуют несколько большие значения модулей.

Для каждого типа дорожной одежды существует свое критическое значение прогиба. Для жестких одежд оно в 3-4 раза меньше, чем для нежестких. Поэтому условиям работы каждого типа одежд соответствует свое индивидуальное значение модуля упругости подстилающего грунта. Наиболее значительно модуль упругости грунта изменяется при очень малых деформациях, характерных для прогиба монолитных цементобетонных одежд. В интервале больших деформаций, соответствующих разрушающим прогибам для дорожных одежд, обладающих малым сопротивлением изгибу (нежесткие одежды), изменения модуля упругости сравнительно невелики. При расчетах в запас надежности для всех типов дорожных одежд как жестких, так и нежестких принимают одинаковые значения модулей упругости.

Водно-тепловой режим земляного полотна изменяется в течение года. Соответственно изменяются в течение года и модули упругости и деформации грунта основания (рис. 13.5). Чем меньше вероятность переувлажнения грунта в основании дорожной одежды, тем выше принимают их расчетные значения.

Рис. 13.5. Изменение модуля упругости грунта в течение года: 1 – талый грунт; 2 – мерзлый грунт; 3 – переувлажненный грунт во время весеннего оттаивания; E_отн – относительные значения модуля упругости; h – глубина

Особенно сильно значения модуля упругости снижаются во время весеннего переувлажнения. К этому периоду относятся расчетные значения модуля упругости, приводимые в инструкциях по расчету нежестких одежд. В сухое время года, а также зимой, когда грунт находится в замерзшем состоянии, модуль грунта много выше табличных значений, что следует учитывать при оценке возможности пропуска по дороге тяжелых нагрузок в соответствующие сезоны года.

В результате изучения водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог в разных районах страны были установлены характерные влажности верхних слоев земляного полотна под дорожной одеждой для разных характерных типов местности по условиям увлажнения. В табл. 13.2 приведены влажности характерных для Беларуси грунтов.

Таблица 13.2. Значения влажности грунтов

Тип местности по условиям увлажнения	Среднее значение влажности, в долях от Wт, для грунтов
	легких суглинков	пылеватых песков	легких и тяжелых суглинков	пылеватых и тяжелых супесей
1	0,60	0,62	0,65	0,70
2	0,63	0,65	0,68	0,73
3	0,65	0,67	0,70	0,75

Примечание. W_Т – влажность границы текучести.

Введение в конструкцию дорожной одежды гидроизолирующих прослоек, морозозащитных слоев, устройство прикромочных дрен, укрепление обочин и повышение отметок земляного полотна над источниками увлажнения улучшает водный режим подстилающего грунта. В этих случаях при расчете дорожных одежд приведенные выше средние влажности грунта уменьшают на 0,03-0,05.

В табл. 13.3 приведены расчетные значения параметров наиболее устойчивого грунта (супеси) и наиболее неблагоприятных пучинистых грунтов земляного полотна.

Таблица 13.3. Расчетные значения параметров грунтов

Грунт	Ед. изм.	Расчетные значения характеристик при влажности грунта в долях от Wт
		0,50	0,55	0,60	0,65	0,70	0,75	0,80	0,85	0,90	0,95
Супесь легкая	Е, МПа , 0 С, МПа	70 37 0,015	60 36 0,014	56 36 0,014	53 36 0,013	49 35 0,12	45 35 0,011	43 34 0,010	42 34 0,009	41 33 0,008	40 33 0,007
Пылеватая супесь, суглинок легкий пылеватый	Е, МПа , 0 С, МПа	108 32 0,045	90 27 0,036	72 24 0,030	54 21 0,024	46 18 0,016	38 15 0,013	32 13 0,010	27 11 0,008	26 10 0,005	25 9 0,004

Примечание. Значения модулей упругости и угла внутреннего трения крупнозернистых грунтов не зависят от влажности и составляют для крупного песка 130 МПа и 40⁰, для песка средней крупности – 120 МПа и 40°, для мелкого песка – 75 МПа и 33⁰, для мелкого пылеватого песка – 75 МПа и 33°. Легкая супесь имеет модуль упругости 65 МПа и угол внутреннего трения 40⁰. Сцепление перечисленных грунтов равно 0,005 МПа

Модули упругости материалов конструктивных слоев дорожных одежд зависят от прочности составляющих их каменных материалов, количества вводимого вяжущего и способа строительства.

Для материалов с органическим вяжущим модуль упругости и сцепление зависят от температуры, до которой они могут нагреваться в жаркие дни, и, кроме того, как для всех анизотропных материалов, от вида испытываемой деформации и продолжительности ее действия. Считается, что дорожные одежды на проезжей части подвергаются нагрузкам продолжительностью 0,1 с, а на стоянках – более 10 мин. Поэтому для асфальтобетона при расчете на общий прогиб покрытия и на растяжение используют разные значения модулей упругости. Некоторые средние значения расчетных характеристик материалов конструктивных слоев приведены в табл. 13.4.

Правильно сконструированная и рассчитанная дорожная одежда должна обеспечивать пропуск расчетных нагрузок и интенсивности в течение расчетного срока между капитальными ремонтами. Однако в процессе строительства земляного полотна и дорожных одежд неизбежны незначительные отклонения от нормативных требований к степени уплотнения грунта и прочности асфальтобетона, а также от средних погодно-климатических условий района строительства. При неблагоприятных сочетаниях этих факторов в отдельные периоды прочность дорожных одежд может оказаться меньшей, чем требуется по условиям движения и нагрузки.

Таблица 13.4. Средние значения расчетных характеристик материалов конструктивных слоев

Материал конструктивного слоя	Модуль упругости E, МПа	Среднее сопротивление растяжению при изгибе R, МПа
Плотный асфальтобетон	а) 200-400 б) 300-4400 в) 1500-6000	– 1,6-3,2 –
Щебень, обработанный в установках битумом, уложенный по способу заклинки	600-900	–
Щебеночный слой, построенный способом пропитки	400-600	–
Щебень, уложенный по способу заклинки	250-450	–
Каменные мостовые, пакеляж	400-500	–
Крупнообломочные грунты и гравийные смеси оптимального состава, укрепленные вязким битумом	250-350	0,35-0,30
То же, укрепленные цементом	250-700	0,18-0,40
Побочные продукты промышленности, укрепленные цементом	180-600	0,09-0,30
Супеси тяжелые и пылеватые, суглинки легкие, укрепленные минеральными вяжущими	120-500	0,07-0,22
Грунт, укрепленный жидким битумом: супесь непылеватая супесь пылеватая, суглинки	150-200 80-150	0,02-0,035 0,02-0,035
Грунт, укрепленный золой уноса	200	0,4

Примечания. 1. Модуль упругости для плотного асфальтобетона указан: а – при расчете на общий прогиб одежды и на сдвиг при разных температурах покрытий, при кратковременных нагрузках; б – при длительной статической действии нагрузки (на стоянке); в – при расчетах на изгиб. 2. Угол внутреннего трения для грунтов, укрепленных жидким битумом, составляет: для непылеватых супесей 25-35°; для пылеватых супесей и суглинков 15-25°.

Поэтому при расчетах для обеспечения запаса надежности в значения расчетной влажности грунтов и модулей упругости асфальтобетона (параметры, наиболее подверженные влиянию погодных факторов), вводятся коэффициенты, обеспечивающие уровень проектной надежности, которым называют отношение прочности дорожной одежды в период возможного ее наибольшего ослабления к расчетной прочности.

Расчетные значения модуля упругости грунта можно определить по результатам натурных и лабораторных испытаний при их расчетном состоянии. При отсутствии возможностей выполнения испытаний модуль упругости при кратковременном нагружении может быть установлен в зависимости от района трассирования дороги и вида грунтов по табл. 13.5.

Таблица 13.5. Модули упругости грунтов при кратковременном нагружении, МПа

Дорожно- климатический район	Расчетные значения модуля упругости в зависимости от вида грунта, Ер
	супеси легкие непылеватые	пески пылеватые	суглинки непылеватые, глины	супеси и суглинки пылеватые
1	46	64	30	28
2	48	66	32	30
3	50	68	35	32

Значения модуля упругости в табл. 13.5 даны для дорог с земляным полотном, проходящим в насыпи и удовлетворяющим требованиям СНиП 2.05.02-85 в отношении плотности грунта и возвышения верха покрытия над уровнем грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод. В нулевых местах и выемках необходимо значения модуля упругости, принятые в соответствии с табл. 13.5 уменьшить на 10%.

При возвышении земляного полотна над грунтовыми и поверхностными водами или над поверхностью земли, превышающем значения, требуемые СНиП 2.05.02-85 более чем в 1,5 раза, значения модуля упругости увеличивают на 10%.

При расчете конструкций, в которых предусмотрены такие мероприятия, как устройство монолитных оснований дорожных одежд, водонепроницаемых обочин, совершенный дренаж, теплоизоляционные слои, полностью предотвращающие промерзание земляного полотна, и другие, допускается при соответствующем обосновании увеличить расчетные модули упругости, приведенные в табл. 13.5.

Расчетные модули упругости песков и супеси легкой крупной при кратковременном нагружении и отсутствии результатов испытаний принимают равными для:

– песка крупного гравелистого – 130 МПа;

– песка средней крупности – 120 МПа;

– песка мелкого – 100 МПа;

– песка очень мелкого одномерного – 75 МПа;

– супеси легкой крупной – 70 МПа.

Эти данные следует применять при расчете конструкций на прочность при действии подвижной нагрузки. При расчете конструкций на статическое действие нагрузок модули упругости следует уменьшить на 5% для несвязных грунтов и на 10% – для связных.

Прочностные и деформационные характеристики асфальтобетонных материалов для расчета на изгиб приведены в табл. 13.6, а расчетные значения кратковременного модуля упругости асфальтобетона для расчета на упругий прогиб необходимо выбирать из табл. 13.7.

Таблица 13.6. Прочностные и деформационные характеристики асфальтобетонов, МПа

Материал	Марка битума	Модуль упругости, Е	Среднее сопротивление растяжению при изгибе,
Плотный асфальтобетон I-III марки	БНД 60/90	4500	2,8
	БНД 90/130	3600	2,4
	БНД 130/200	2600	2,0
	БНД 200/300	2000	1,8
	СГ 130/200	1500	1,6
Пористый асфальтобетон	БНД 60/90	2800	1,6
	БНД 90/130	2200	1,4
	БНД 130/200	1800	1,2
	БНД 200/300	1400	1,1
Высокопористый щебеночный асфальтобетон	БНД 60/90	2100	1,0
	БНД 90/130	1700	0,9

Таблица 13.7. Расчетные значения кратковременного модуля упругости асфальтобетона для расчета на упругий прогиб, МПа

Материал	Марка битума	Расчетные значения модуля упругости, Е
Плотный асфальтобетон	БНД 60/90	3200
	БНД 90/130	2400
	БНД 130/200	1500
	БНД 200/300	1200
	СГ 130/200	900
Пористый и высокопористый асфальтобетон	БНД 60/90	2000
	БНД 90/130	1400
	БНД 130/200	1100
	БНД 200/300	950