1854

Таблица 2

Динамические напряжения в покрытиях

14

Анализ данных табл. 2 показывает, что при относительно малой толщине покрытия и низком модуле упругости (например, в летний период) распределяющий эффект асфальтобетонного покрытия мал и поэтому нагрузки от передней и задней осей автомобиля передаются на основание независимо друг от друга (рис. 4, кривая 1). С увеличением толщины плит, особенно скоростей движения нагрузки, упругие воздействия передней и задней осей уже нужно рассматривать как единое воздействие переменной интенсивности (см. рис. 4, кривые 3, 4). При этом зона распространения напряжений растяжения достигает 16,5 м.

Растягивающие напряжения при действии постоянной подвижной нагрузки убывают с увеличением скоростей движения нагрузки (рис. 5). При этом влияние модулей упругости оснований и покрытий проявляется в меньшей степени, чем толщина покрытия. Так, для толстых плит уменьшение напряжений с увеличением скорости движения нагрузки совсем незначительно.

Рис. 4. Растягивающие напряжения в покрытиях при последовательном проходе нагрузки в 20 и 40 кН (соответственно первые и вторые стрелки слева направо). Кривые 1,2 – для покрытий толщиной 10 см при модуле упругости Е1 = 1,5·103 МПа, модуле упругости основания Е0 = 200 МПа и скоростях нагрузки 7,9 и 31,6 км/ч. Кривые 3 и 4 – для покрытий в 10 и 20 см толщиной и для скоростей нагрузки в 69,6 и 82 км/ч соответственно. Модули упругости покрытий Е1 = 3·104 МПа; Е0 = 200 МПа

15

Рис. 5. Зависимость растягивающих напряжений в покрытиях от скорости проезда автомобиля с давлением на колесо 40 кН. Цифры на кривых – модули упругости покрытий Е1 (МПа); Е0 – модули упругости оснований. Сплошные и пунктирные линии – соответственно для покрытий толщиной 20 и 10 см

Все эти выводы касаются случая, когда ровность покрытия гарантирована. Чаще ровность покрытий недостаточна с начала эксплуатации, что способствует возникновению колебаний автомобиля или ухудшается со временем под влиянием водно-температурных воздействий. Поэтому целесообразно вводить в расчеты напряжений и прогибов коэффициенты динамичности. Они представляют собой отношение динамической нагрузки к статической от колеса автомобиля.

Наиболее общие данные о коэффициентах динамичности приведены в табл. 3, из которой видно, что различные авторы получали разные результаты. Используя средние значения для «хороших» («хороший» и «плохой» асфальтобетон покрытий в табл. 3 соответствует ровности покрытий по международному показателю JRJ в пределах 0,8–1,6 м/км и 2,4–4 м/км по ровности покрытий), приведем в табл. 1 и 2 значения предельных прогибов и напряжений с учетом динамики автомобиля. Прогибы и напряжения, которые возникают на неровных покрытиях, показаны на рис. 6. Динамические напряжения здесь имеют экстремальные зоны по мере увеличения скорости движения автомобиля, а коэффициент динамичности напряжений приближается к 2. Это явление объясняется резонансом в колебаниях автомобиля, приводящим к значительному увеличению динамического давления на покрытие.

16

V, км/ч

U, мм

Рис. 6. Изменение упругих прогибов: а – растягивающих напряжений

впокрытиях; б – в зависимости от скорости движения автомобильной нагрузки

сдавлением на колесо 40 кН и с учетом ее динамичности; сплошные кривые –

сучетом динамического коэффициента, пунктирные – без учета; σст – статические напряжения; 1 – для покрытий толщиной 20 см и модуля упругости Е1 =1,5·103 МПа;

Е0=200 МПа; 2 – для покрытий толщиной 20 см и модуля упругости Е1 =3,0·104 МПа

Таким образом, на неровных покрытиях возможно увеличение напряжений, во всяком случае до скорости 50 км/ч (см. рис. 6). Прогибы толстых плит при этом не изменятся, так как их уменьшение от снижения времени действия нагрузки компенсируется увеличением за счет роста величин динамичной нагрузки. Это подтверждается экспериментально для жестких цементобетонных покрытий. В дальнейшем при скоростях более 80 км/ч процесс взаимодействия подвижной нагрузки и покрытия становится ударным. При этом прогибы и напряжения вновь возрастут.

Итак, анализ прогибов и напряжений в упругих плитах, лежащих на упругом винклеровском основании, позволяет установить следующее.

1.При проезде двухосных автомобилей по цементобетонным покрытиям с эксплуатационными скоростями нужно принимать последовательное воздействие осей за единый ударный процесс. На покрытиях с малой жесткостью воздействие осей следует рассматривать как независимое.

2.Прогибы дорожных одежд уменьшаются с ростом скорости движения автомобилей, но при достижении 50 км/ч они несколько увеличиваются за счет динамического эффекта автомобиля.

17

Таблица 3

Коэффициенты динамичности подвижной нагрузки

3.Динамические напряжения при изгибе от однократного приложения нагрузки в 40 кН достигают на ровных покрытиях от 1,0 до 3,6 МПа, на неровных – 1,3–5,0 МПа, развиваясь в очень короткое время.

4.Предельные динамические прогибы покрытий составляют 0,10– 0,15 мм для нагрузки 40 кН на колесо и скорости 70 км/ч.

Для скоростей 50 км/ч прогибы могут быть не более 0,10– 0,35 мм.

5.Под влиянием однократного приложения подвижной нагрузки на верхних и нижних плоскостях изгибающихся покрытий дорожных конструкций формируются относительные деформации соответственно сжатия

ирастяжения, значения которых приведены в табл. 4.

18

Таблица 4

Относительные деформации растяжения-сжатия на нижних и верхних плоскостях изгибаемых покрытий дорог при действии подвижной нагрузки

6.Под влиянием однократного приложения в изгибаемых покрытиях формируется динамическое пространственное напряженное состояние, выражающееся в специфических векторах и направленности векторов растягивающих и сжимающих напряжений (см. рис. 6) по всем граням элементарного объема (объемного элемента). Значения четырех видов напряжений, действующих одновременно по плоскостям слоев покрытий, приведены в табл. 5.

7.Любые новые элементы из других материалов, вводимые в покрытия дорог и аэродромов, должны при однократном загружении выдерживать объемные напряжения без разрыва на меньшие, чем указанные в табл. 5, и при этом деформироваться в пределах деформаций, не больших, чем указано в табл. 4 (см. схему рис. 7).

19

Таблица 5

Значения напряжений в объемном элементе покрытий дорог и аэродромов

Рис. 7. Схема нагружения и изгиба плиты покрытий (а) и напряжения в объемном элементе по верхней и нижней плоскостям покрытия

20

Примечание. * относится к двухосной колесной опоре воздушного судна

21

42, 21 и 7 раз в час, а на покрытиях ВПП аэродромов – 4 раза в час (табл. 7). Общее число возбуждений динамического напряженно-деформи- рованного состояния составляет для дорог I, II и III категорий за 30 лет эксплуатации соответственно 54, 27 и 9 млн, за 10 лет – 27, 135 и 45 млн раз, на ВПП аэродромов – до 0,54 млн раз.

Территория Российской Федерации расположена в восточной части северного полушария и на ней действует климат пяти климатических районов – очень холодный, холодный, умеренно холодный, умеренный и умеренно влажный. Эти районы включают четыре дорожно-климатические зоны (ДКЗ). В I ДКЗ господствует очень холодный и холодный климат, во II и III ДКЗ – умеренно холодный и умеренный; в IV ДКЗ – умеренно влажный. Основные параметры климатических районов приведены в табл. 8.

Примечание. Табл. 8 содержит выдержки из ГОСТа «Климат СССР».

Уже из этой таблицы следует, что дорожные и аэродромные конструкции на территории России от 34 до 76 % времени в году находятся в мерзлом состоянии. При этом они испытывают температурные напряжения, связанные с охлаждением.

Темп снижения несущей способности дорожной конструкции во времени в значительной степени зависит от интенсивности развития в ней усталостных процессов. Они проявляются под действием напряжений, вы-

19