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 . 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;  – 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

Число полос движения	Значения коэффициента fпол для полосы номер
	1	2	3
1	1,00	–	–
2	0,55	–	–
3	0,50	0,50	–
4	0,35	0,20	–
6	0,30	0,20	0,05

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

Тип дорожной одежды	Категория дороги	Уровень надежности Кн	Коэффициент прочности Кпр
Капитальный	I, II, III-п III, IV-п, I-c	0,95 0,90	0,95 0,85
Облегченный	III, IV, II-c	0,85	0,80
Переходный, низший	IV, V, III-с	0,60	0,60

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.