32.17.7. Метод проектирования дорожного покрытия компании Шелл (1995 год)

Этот метод основан на анализе напряжений в упругой модели трехслойной дорожной одежды, состоящей из битумного верхнего слоя, нижнего слоя из гранулированного заполнителя и грунтового основания. Он разработан в ЕС на основе исследовательской работы, в которой основное внимание уделялось свойствам битумов и битумных смесей.

В качестве допущения принимается упрощенная и идеальная структура покрытия, к которому через двойное колесо прилагается стандартная осевая нагрузка 80кН. Предполагается, что дорожное покрытие состоит из трех совершенно эластичных слоев.

Основные критерии проектирования:

– деформация сжатия в поверхности грунтового основания. Если она чрезмерна, в верхней части будет проходить процесс постоянного разрушения;

– горизонтальная деформация растяжения в асфальтобетонном слое, обычно в нижней его части. Если она чрезмерна, произойдет растрескивание слоя;

– допустимое растягивающее напряжение или деформация в любом связном слое основания и общая постоянная деформация на поверхности покрытия, являющаяся результатом деформаций в различных слоях.

На основе этих критериев были построены расчетные графики путем подбора возможных комбинаций разной толщины битумного слоя и несвязанных слоев основания для данного модуля грунтового основания, типа асфальтобетонной смеси, средневзвешенной температуре воздуха и числа приложений стандартной осевой нагрузки, ожидаемых в течение расчетного срока службы дорожного покрытия, с таким расчетом, чтобы критические напряжения не превышали допустимых значений для различных материалов (рис. 32.3).

Рис. 32.3. Пример расчетного графика дорожной одежды

Расчетные графики содержат следующие параметры:

– код асфальтобетонной смеси;

– средневзвешенную годовую температуру воздуха w-МААТ;

– количество эквивалентных стандартных осей;

– модуль упругости грунтового основания.

В каждом графике только один параметр является переменным. При использовании графиков допускается интерполяция между ними. В зависимости от используемых материалов и преобладающих условий решающим критерием может быть деформация либо грунтового основания, либо асфальтобетонного слоя. Расчетная кривая обычно строится из двух разных кривых, связанных с этими двумя критериями.

Как только выбрано число предполагаемых структур дорожных одежд, определяется ожидаемое значение постоянной деформации в асфальтных слоях в течение расчетного срока службы каждой структуры. В этой части процедуры для имитации движения транспорта используется однократная вертикальная стандартная колесная нагрузка, а весь асфальтобетонный слой делится на три части. Постоянная деформация каждой части определяется, прежде всего, из толщины слоя, среднего напряжения и прочности смеси. Общая деформация (деформация асфальтобетонных слоев плюс предполагаемая деформация несвязанных слоев) будущих конструкций может быть оценена как допустимая или нет.

В данном методе расчета концом расчетного срока службы дорожного покрытия считается не разрушение, а наступление того момента, когда требуется его укрепление, чтобы обеспечить дальнейшую нормальную эксплуатацию. Стандартной нагрузкой при вычислении напряжений является двойное колесо с нагрузкой 80кН.

Колебания температуры окружающей среды сильно воздействуют на свойства битумных материалов, особенно на поверхностный защитный слой. Для произведения расчетов был разработан метод выведения средневзвешенной годовой температуры воздуха w-МААТ, получаемой из среднемесячных температур воздуха (ММАТ) для данной местности. В Беларуси вероятное значение w-МААТ составляет около 10.

Значение w-МААТ относится к действительной температуре асфальта, и таким образом к реальному модулю асфальта. Термин «средневзвешенная» годовая температура воздуха означает, что было учтено влияние на расчеты дневных и месячных колебаний температур в дорожном покрытии, это влияние не может быть учтено, если просто взять среднеарифметическую температуру. Значение w-МААТ получают из значений ММАТ с помощью кривой «взвешенных температур».

При методе Шелл используется модуль упругости асфальтобетона, определяемый при соответствующей плотности и уравновешенном содержании влаги. Для определения модуля упругости используется метод ААSНТО. Однако для расчетов берется не среднее значение, а значение, ниже которого находятся лишь 10% данных (обеспеченностью 10%).

При проектировании также требуется, чтобы был известен модуль упругости несвязанных материалов. Метод компании Шелл определяет необходимые минимальные значения в соответствии с используемой толщиной и модулем грунтового основания.

Существует почти бесконечное множество видов асфальта. Однако при структурном проектировании большое значение имеют два свойства: прочность смеси при кратковременных нагрузках (модуль динамической прочности S_mix) и усталостные характеристики. Поэтому для смесей с типичными характеристиками прочности (обозначенными в нормах смеси типов S₁ и S₂) и усталостными характеристиками (сноски кода F₁ и F₂), связанных затвердевшим битумом с глубиной проникновения 50 и 100 (сноски кода смеси 50 и 100), были разработаны таблицы вязкости. Полученные в результате 8 кодов смесей S₁-F₁-50, S₁-F₂-100 и т.д. представляют собой самые распространенные типы смесей, используемые при строительстве дорожных покрытий.

Для удобства общих структурных расчетов битумный слой рассматривается как единый элемент. На самом деле он состоит из нескольких отдельных самостоятельных слоев: несущий слой, промежуточный или связующий слой (иногда называемый нижним слоем дорожного покрытия) и, возможно, битумное основание (иногда называемое дорожным основанием). Когда рассматриваемая конструкция имеет относительно мощный структурный слой, код смеси, соответствующий этому слою, берется за основу при расчетах.

Из построенных расчетных графиков Шелл можно считать значения толщины слоев, требуемые для альтернативных конструкций, удовлетворяющим допустимым критериям деформации.