3. Расчет дорожных одежд на прочность

Основные положения

3.1. Под прочностью дорожной одежды понимают способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием касательных и нормальных напряжений, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от расчетной нагрузки (кратковременной, многократной или длительно действующей однократной), приложенной к поверхности покрытия.

3.2. Методика оценки прочности конструкции включает как оценку прочности конструкции в целом (с использованием эмпирической зависимости допускаемого упругого прогиба от числа приложений нагрузки), так и оценку прочности с учетом напряжений, возникающих в отдельных конструктивных слоях и устанавливаемых с использованием решений теории упругости.

3.3. Дорожную одежду следует проектировать с требуемым уровнем надежности, под которой понимают вероятность безотказной работы в течение межремонтного периода. Отказ конструкции по прочности физически может характеризоваться образованием продольной и поперечной неровности поверхности дорожной одежды, связанной с прочностью конструкции (поперечные неровности, колея, усталостные трещины), с последующим развитием других видов деформаций и разрушений (частые трещины, сетка трещин, выбоины, просадки, проломы и т.д.). Номенклатура дефектов и методика количественной оценки их определяется специальными нормами, используемыми при эксплуатации дорог.

Общая процедура и критерии расчета на прочность

3.13. Последовательность расчета:

Расчет ведется по 3-м критериям: по допускному упругому прогибу, растяжению при изгибе, сдвигу.

В данном пункте курсового проекта рассматривается следующее покрытие (рис.1): первый слой из горячего асфальта-бетона толщиной 60мм с расчетным модулем упругости 15000 кг/см²; второй слой из холодного асфальтобетона толщиной 100мм с расчетным модулем упругости 10000кг/см²;третий слой из щебня, обработанного битумом толщиной 60мм с расчетным модулем упругости 9000 кг/см²;четвертый слой из грунта, обработанного цементом толщиной 200мм с расчетным модулем упругости 4500кг/см²;дополнительный слой основания из зернистого песка с расчетным модулем упругости 1500кг/см². Грунт земляного полотна – легкие супеси с расчетным модулем упругости 450кг/см². Интенсивность движения автомобилей 4200авт/су.

1

2

3

4

5

Рис.1. Конструкция дорожной одежды

Требуемый эквивалентный модуль всей конструкции определяется по номограмме (рис.2) в зависимости от движения автомобилей и типа покрытия. Он составляет 2720 кг/см². Расчет производится последовательно, рассматривая двухслойные схемы (рис.3) верхний слой на упругом основании с общим модулем упругости эквивалентен нижележащим слоям основания.

Рис.2. График требуемых прогибов и

моделей упругости дорожной одежды.

По первой расчетной схеме (рис. 3) определяем отношения первого слоя h ₁ к толщине суммарного слоя Д :

h ₁ 40

— = —— ≈ 0.143

Д 280

находим отношения эквивалентного модуля упругости к модулю упругости первого слоя дорожной одежды:

E₀¹ 2755

—— = ——— ≈ 0.184

E₁¹ 15000

Рис.3. Схема к расчету дорожной одежды.

По номограмме расчета нежестких дорожных одежд (рис.4) находим значение отношения модуля упругости второго слоя к первому слою дорожной одежды:

E₀²

—— = 0, 0.158

E₁¹

Таким образом определяем эквивалентный модуль упругости второго слоя

E₀² = 0,158 х 15 000 = 2370 кг/см²

Рис.4. Номограмма для расчета нежестких дорожных одежд.

Аналогичным способом рассчитываем эквивалентные модули упругости во всех остальных слоях дорожной одежды.

По второму слою получаем такое решение:

h ₂ 60

— = —— =0.214;

Д 280

E₀² 2370

—— = ——— = 0.237

E₁² 10000

По номограмме (рис.4) определяем отношение

E₀³

—— = 0.19

E₁²

Тогда эквивалентный модуль упругости третьего слоя будет равен:

E₀³ = 0,19 х 10000 = 1900кг/см²

По 3-й расчетной схеме имеем решение:

h ₃ 120 E₀³ 1900

— = —— =0.429; —— = ——— = 0.21

Д 280 E₁³ 9000

По номограмме (рис.4) определяем следующие отношения:

E₀⁴

—— = 0.11

E₁³

Тогда эквивалентный модуль упругости четвертого слоя будет равен:

E₀⁴ = 0,11 х 9000 = 990 кг/см²

По 4-й расчетной схеме получаем такое решение:

h ₄ 200 E₀⁴ 990

— = —— ≈ 0.714; —— = ——— = 0.22

Д 280 E₁⁴ 4500

По номограмме (рис.4) определим отношение:

E₀⁵

—— = 0.07

E₁⁴

Тогда эквивалентный модуль упругости пятого слоя будет равен:

E₀⁵ = 0.07 х 4500 = 315 кг/см²

Составим 5-ю расчетную схему:

E₀⁵ 315 E_гр 450

— = —— = 0.21; —— = ——— = 0,3

E₁⁵ 1500 E₁⁵ 1500

По номограмме на рис. 4 находим

h/Д = 0,33

Толщина пятого слоя дорожной одежды

h ₅ = 0,33 х 450 = 148,5 мм

Получив все необходимые данные, определяем суммарную толщину дорожной одежды проектируемой дороги:

Σ_h = h ₁ + h ₂ + h ₃ + h ₄ + h ₅ =40+60+120+200+148,5 = 568,5 мм.

Т.о. общая толщина дорожной одежды с покрытием усовершенствованного типа составит 568,5 мм.

Вторым этапом проектирования дорожной одежды является проверка на растягивающие напряжение в связных слоях одежды.

Напряжения растягивания в нижних слоях асфальтобетона принимаются по технологии укладки, чтобы связь верхнего и нижнего слоёв была обеспечена так, чтобы сдвиг верхнего слоя относительно нижнего был невозможен. Так как асфальтобетон состоит из двух слоев с различными модулями упругости, то напряжение на нижней поверхности будет такое же, как у эквивалентного слоя толщиной:

Е₁ 25000

h_э = h ₁ + h ₂ — = 4 + 6 ——— = 14 см;

Е₂ 15000

где Е₁ и Е₂ - модули упругости слоев при изгибе

Получим, что:

h_э 140 E₁² 10000

—— = —— = 0,5; —— = ——— = 5,26

Д 280 E₀³ 1900

Исходя из полученных данных по специальным сведенным таблицам определяем, что напряжение растяжения составляет Ϭ = 5,26 кг/см².

При этом, зная, что допустимые напряжения составляют [Ϭ] =7,6 кг/см², можно сделать вывод, что надежность конструкции обеспечена.

По номограмме (рис.4) определяем отношение толщины 5-го слоя к общей толщине одежды:

h ₅

— = 0.33

Д

Определяем:

E₁⁵ Е _r 1 500

—— = ——— = ——— = 0,12

Е_в Е _ср 126000

По номограмме ( рис.4.) требуемое отношение h/Д = 0,71

Откуда h _т = 0,71 х 450 =198,8 мм При этом значение h _т < Σ _h = 450, следовательно, устойчивость обеспечена с запасом превышения слоя ∆ h =251,2 мм. Последним этапом расчета дорожных одежд является проверка на сдвиг в песчаном слое. Общий средний модуль упругости слоев дорожной одежды, расположенный над песчаным слоем, определяется по номограмме (рис.1.5.).

Рис.1.5. Номограмма для определения модуля упругости

вышележащих слоев.

Табл. 1.6.