32.17.6. Метод aashto для расчета дорожных одежд (1993 год)

Этот метод оценки прочности дорожной одежды является самой последней версией разработанного в США, начиная с 1961 года, и в значительной степени зависит от результатов наблюдаемых характеристик при испытаниях дорожных одежд по тестовому методу AASHTO.

Концепции, использованные в этом пособии, были разработаны в связи с дорожными испытаниями па методу AASHTO, результаты которых были опубликованы в 1962 году. Во время этих испытаний непригодность дороги оценивалась субъективно в зависимости от качества проезда, которое ощущает «средний» пользователь дорогой, определенное в виде рейтинга текущей пригодности (РТП), при этом результаты определяются группой дорожных пользователей с использованием шкалы оценок от 1 до 5. Далее в обязанности инженера-дорожника входит количественная интерпретация РТП с точки зрения таких разнообразных факторов, как деформация, растрескивание, ямочные дефекты и ровность поверхности. Преобразованные таким образом величины выражаются в форме показателя текущей пригодности (ПТП), при этом соотношение показателя с инженерными величинами выражается следующим уравнением

, (32.12)

где RD_m – средняя глубина колеи в двухколесных следах, футов; SV_m – колебания уклонов умноженные на 10⁶ (усредненное по двухколесному следу); С – растрескивание, которое выражается как площадь дорожного покрытия в квадратных футах, испытывающая дефект в виде сетки трещин или других трещин, которые приводят к разрушению битумного верхнего слоя, измеренная на общей площади в 1000 кв. футов.

Из уравнения 32.12 видно, что колебания уклона оказывают самое сильное влияние на величину ПТП, а колееобразование и растрескивание оказываются наименее важными факторами. Колебания уклона являются мерой шероховатости дороги.

Показатель текущей пригодности (ПТП) для новой дороги должен быть в районе 4,5, при этом проектировщик должен выбрать конечную величину ПТП. Она обычно берется от 2 до 2,5, при этом 2,5 используется для магистральных дорог.

Базовое уравнение проекта, которое используется в руководстве для расчета гибкого дорожного покрытия AASHTO, следующее

, (32.13)

где w₁₈ – прогнозное количество проездов эквивалентной стандартной осевой нагрузки в 8,16 т по проектируемой полосе; Z_R – стандартное нормальное отклонение; S_o – совокупная стандартная ошибка в прогнозах транспортной нагрузки и дорожных характеристик; ПТП – разность между исходным проектным показателем пригодности р₀ и проектным конечным показателем пригодности p_t; M_R – модуль упругости основания (в Паскалях на кв. дюйм); SN – структурное число, характеризующее совокупную прочность всех слоев предлагаемой новой дорожной одежды, лежащей поверх основания.

При этом число SN является искомым в данном уравнении. Как можно заметить, прямое решение уравнения 39.5 невозможно, поэтому используется метод постепенного приближения или построенные предварительно номограммы.

Каждый слой дорожной одежды вносит свой вклад в прочность и в распределение нагрузки на покрытие, но различные материалы слоев имеют различную прочность и жесткость. В результате анализа, проведенного с применением дорожного теста AASHTO, относительный вклад различных слоев материала был определен, после чего были введены коэффициенты прочности слоев в следующем виде

, (32.14)

где а₁-а₃ – прочностные коэффициенты слоев для верхнего, нижнего слоев покрытия и слоя основания, соответственно; D₁-D₃ – мощности этих слоев, м.

Несмотря на то, что модуль упругости (модуль Юнга) берется в качестве стандартной меры качества материала, необходимо, тем не менее, определить соответствующие коэффициенты слоев, которые необходимы при структурном подходе к проектированию. Важно понимать, что введение коэффициентов слоев является упрощенной концепцией, и что, хотя такие коэффициенты берутся как постоянные, в действительности они могут изменяться в определенном диапазоне в зависимости от толщины слоев, типа нижележащего основания, положения в структуре дорожной одежды и коэффициентов жесткости различных слоев.

Полученные из испытаний AASHTO коэффициенты можно использовать с уверенностью только тогда, когда пропорции дорожного покрытия равны примерно тем, которые участвовали в тестах AASHTO. Если это не так, появляется риск того, что экстраполяция приведет к серьезной ошибке.

Структурные коэффициенты слоев для асфальтобетона можно получить с помощью специальной номограммы в зависимости от модуля упругости асфальтобетона Е_ас (фунты/кв. дюйм) при температуре около 20⁰С. Так, например при Е_ас=20000 f/d ² значение структурного коэффициента составляет a=0,3. Важно выбрать такую величину, которая соответствует спецификациям и может быть применена к тем температурным условиям, которые являются определяющими в то критическое время года, когда покрытие наиболее слабое. Для Беларуси таким критическим периодом может считаться время сразу же после таяния снегов. Однако летом 2003 года, когда температура поверхности достигала своего пика, битумные верхние слои имели свой наименьший показатель жесткости, хотя основание и гранулированные слои были в наиболее сухом и, естественно, прочном состоянии. Поэтому лучше всего вычислять структурное число исходя из обоих критических значений, а затем выбирать время года, которое дает самую низкую величину.

Коэффициенты слоев для других материалов колеблются от 0,06 для песка крупнозернистого до 0,32 для песчано-гравийной смеси, укрепленной вяжущим. Поскольку все коэффициенты слоев в американском методе приводятся на дюйм толщины слоя, то при работе в миллиметрах следует разделить все коэффициенты на 25,4.

Как известно, прочность и жесткость гранулированных слоев сильно зависят от их водонасыщения. Инструкция AASHTO предлагает величины дренажных коэффициентов m_i в соответствии с дренажным состоянием предлагаемого дорожного покрытия. Качество дренажной системы зависит от скорости отвода воды. Если она отводится за одну неделю (ситуация с тестом AASHTO), то качество следует признать удовлетворительным, если один месяц – плохим, если год – очень плохим. И наоборот, если вода может отводиться за одни сутки – дренаж хороший, если за два часа – очень хороший. При этом значение m_i может быть как больше единицы (для хороших 1,20, очень хороших – 1,05), так и меньше (для удовлетворительных – 0,8, плохих – 0,6, очень плохих – 0,4). Следует отметить, что величины дренажных коэффициентов изменяются еще и в зависимости от процента водонасыщенности слоев дорожной одежды.

Дренажные коэффициенты применяются вместе с коэффициентами слоев таким образом, что структурное число каждого гранулированного слоя вычисляется следующим образом

. (32.15)

Эта формула уменьшает или увеличивает коэффициент слоя ниже или выше того значения, которое было получено в результате дорожных испытаний AASHTO.

Вне всякого сомнения, лучше всего определять модуль упругости грунтового основания M_R путем выполнения ряда лабораторных повторяющихся испытаний нагрузочной способности в специально разработанном трехосевом приборе, испытывая на нем пробы почв, взятые из близлежащих котлованов, из которых планируется брать грунт при сооружении дорожного полотна. Такие испытания удобно выполнять на тех пробах, для которых известны величины Калифорнийского нагрузочного теста (CBR – California Bearing Ratio). Однако, если это невозможно, модуль упругости можно приближенно оценивать из проектного значения CBR на месте, как это предлагает Инструкция AASHTO на основе уравнения

M_R = 1500 CBR (в фунтах на кв. дюйм) или 10 CBR (МПа). (32.16)

Поскольку формула, предлагаемая AASHTO, требует использования единиц в фунтах на кв. дюйм, рекомендуется выполнять все вычисления также в этих единицах.

Было доказано, что жесткость гранулированного материала не пропорциональна величине CBR и что более подходящим соотношением будет

MR = 17,6 CBR^0,64 (МПа). (32.17)

Эта формула была предложена лабораторией транспортных исследований (TRL) Великобритании и подтверждена последующими испытаниями.

Обычно существуют сезонные колебания в уровнях влаги, поэтому инструкция АASНТО предлагает способ определения эффективного модуля упругости почвы M_R для случая гибких дорожных покрытий, который заключается в том, чтобы определять M_R для основания дорожной одежды в каждый из месяцев года. После этого вычисляется относительный коэффициент дефектов, и все значения суммируются за год в целом. Средний относительный коэффициент дефекта вычисляется с использованием этой средней величины, после чего из номограммы или с помощью вычислений, определяется эффективный модуль упругости дорожного основания. Именно эту величину следует использовать при проектировании.

На протяжении зимнего времени года в Беларуси грунт и дорожные сооружения обычно промерзают, в основание дороги проникает лишь незначительное количество влаги. Во время таяния можно предположить, что модуль упругости составляет около 40000 фунтов/кв. дюйм. После таяния, когда все внутренние массивы льда растаяли, а талый снег проник в грунт, уровень влаги в подповерхностном слое достигает своего максимума. Исследования грунта должны быть направлены на то, чтобы определить типичные условия по влажности в основании дорожного полотна на существующих дорогах в это критическое время года. Если это невозможно, то остается предположить, что самое низкое значение модуля после таяния будет составлять примерно от 20 до 30% от нормальной величины в летний период. Рекомендуется выполнять испытания на прогиб на существующих дорогах во время таяния и позднее – летом, что позволит определить те изменения, которые имеют место в модуле упругости. Для этой цели необходимо тщательно измерять величину «чаши прогиба».

Если обнаружено, что грунт основания дороги подвержен промерзанию, а водоносный слой находится неглубоко (менее 1,0 м), то необходимо запроектировать слой из морозостойкого материала под дорожные одежды, который будет действовать в качестве изолятора. Рекомендации по толщине такого слоя не приводятся в Инструкции AASHTO, поэтому необходимо руководствоваться местным опытом. Для полной защиты от разрушительного воздействия мороза, необходимо устраивать дорожную одежду и морозозащитный слой по толщине прогнозируемой средней глубине промерзания, хотя некоторые инженеры оспаривают это мнение и утверждают, что меньшая толщина также дает достаточно эффективную защиту. Однако, даже если и не происходит вспучивания по причине промерзания, было замечено, что непосредственно после таяния измерение прогиба свидетельствует о снижении прочности дорожной одежды ниже того уровня, который был перед замерзанием. Рекомендуется поэтому, чтобы толщина структуры дорожной одежды была, по крайней мере, равна глубине промерзания (с интервалом повторяемости, скажем, 10 лет).

В США и Европе методы оценки необходимой морозостойкой защиты различны в разных странах и климатических условиях. Однако инженерные войска США опубликовали полезную поправку, которая связывает глубину промерзания и показатель промерзания. Показатель промерзания определяется как произведение количества морозных дней на среднесуточную температуру воздуха. Интересно, что такой же показатель используется в странах бывшего Советского Союза для определения толщины требуемого морозозащитного слоя. Для того, чтобы использовать этот график для оценки промерзания дорожной одежды, которая состоит из различных материалов, а также для нижележащего грунта, следует делать поправку на более быстрое проникновение нулевой изотермы сквозь материалы дорожной одежды, чем сквозь нижележащий грунт.

Не желательно включать морозозащитный слой в качестве компонента дорожной одежды, поскольку это не входит в состав дорожного теста AASHTO. Однако этот слой, скорее всего, увеличит прочность основания дорожного полотна, поэтому проектировщик должен учитывать совокупное воздействие модуля упругости морозозащитного материала и нижележащего основания.

При использовании метода AASHTO проектировщик должен не забывать пользоваться средними значениями для таких факторов, как давление на грунт, транспортная нагрузка, дренажные коэффициенты и прочность слоев дорожной одежды. Без учета каких-либо коэффициентов надежности, включенных в проект вероятность того, что реальная нагрузка и реальная прочность компонентов будут отличаться от проектных, может составить до 50%. На практике, поскольку дорога никогда не остается однородной, следует ожидать того, что дорога придет в негодность преждевременно, и даже если прогнозы окажутся правильными, возможно 50%-ное разрушение дорожной одежды (достигнет своего конечного уровня работоспособности) к концу проектного периода (после того как по ней пройдет расчетная транспортная нагрузка). Такой ситуации можно избежать, если применить показатель надежности (или показатель безопасности).

Концепция надежности вводится как средство учета некоторой неопределенности в процессе проектирования, чтобы обеспечить долговечность дорожной одежды в течение расчетного периода. Показатель надежности проекта учитывает вероятностные колебания как в прогнозах транспортной нагрузки (w₁₈), так и в рабочих характеристиках дорожной одежды, и определяет предполагаемый уровень гарантии (R) того, что дорожная одежда выдержит расчетный период эксплуатации.

Как правило, с учетом того, что объем транспорта, а также сложности с его перенаправлением возрастают, следует свести к минимуму риск того, что дорожные одежды преждевременно разрушатся. В табл. 32.10 представлены рекомендуемые уровни надежности для различных классов автомобильных дорог.

Следует отметить, что более высокие уровни соответствуют дорогам с большой интенсивностью движения, в то время как самый низкий уровень (50%) соответствует местным дорогам, по которым движется, в основном, легкий транспорт (до 5 т).

Таблица 32.10. Уровни надежности дорожных одежд

Функциональные классы	Рекомендованный уровень надежности для
	городских дорог	загородных дорог
Межгосударственные и прочие автомагистрали	85-99,9	80-99,9
Основные транспортные артерии	80-99	75-95
Подъездные дороги	80-95	75-95
Местные	50-80	50-80

Надежность проектных характеристик необходимо контролировать посредством использования проектного показателя надежности (F_R), который умножается на проектный прогноз транспортной нагрузки, в результате чего получается проектная величина ESA (W_R), которую можно использовать в уравнении проекта. Показатель надежности учитывает общевероятностные колебания, как в прогнозах транспортной нагрузки, так и в прогнозах характеристик дорожной одежды.

Для прогнозирования интенсивности движения транспорта и характеристик слоев дорожной одежды предполагается, что совокупность всех возможных исходов после каждого из вероятностных отклонений будет иметь вид нормального распределения относительно логарифма реальной транспортной интенсивности или проектных характеристик дорожной одежды (log ESA).

Объединенное стандартное отклонение двух вероятностных распределений будет регламентироваться формулой

, (32.18)

где S_W и S_N – стандартные отклонения возможных ошибок в прогнозировании интенсивности и характеристик слоев дорожной одежды, соответственно.

Для рационально спроектированной и построенной дороги величина S₀ должна составлять 0,45. В тех случаях, когда прогноз интенсивности движения в будущем менее определен, можно принять величину, равную 0,49. Обычно величина S₀ должна лежать в диапазоне от 0,40 до 0,50.

Величина Z_R (стандартное нормальное отклонение), зависит от величины R (надежности) и принимается следующей:

R	50	60	70	75	80	85	90	95	96	97	98	99	99,9	99,99
ZR	0,00	-0,253	-0,524	-0,674	-0,841	-1,037	-1,282	-1,645	-1,751	-1,881	-2,054	-2,327	-3,090	-3,750

Все рассчитанные параметры подставляются в базовое уравнение метода и получаются структурные числа SN, которые затем корректируются вышерассмотренными коэффициентами.