2308

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

А.В. Смирнов, А.С. Александров

МЕХАНИКА

ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Учебное пособие

Допущено УМО вузов РФ по образованию в области железнодорожного транспорта и транспортного строительства в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы» направления подготовки «Транспортное строительство»

Омск

СибАДИ

2009

7

УДК 625.731 ББК 39.311-04

С 50

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Г.С. Меренцова (Алтайский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. В.П. Подольский (Воронежский государственный архитектурностроительный университет);

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».

Смирнов А.В., Александров А.С.

С 50 Механика дорожных конструкций: Учебное пособие. – Омск: СибАДИ, 2009. – 212 с.

ISBN 978-5-93204-459-9

В книге приведены теоретические модели механического воздействия подвижных транспортных средств на дорожные конструкции. Показаны приемы расчета динамического напряженно-деформированного состояния слоистых упругих, упруговязких и упруговязкопластических конструкций. Рассмотрена механика формирования волн в упругом полупространстве и многослойной среде. Приведены методы расчета дорожных конструкций на кратковременное воздействие транспортных средств и стандарты современных дорожных конструкций для условий России.

Табл. 41. Ил. 98. Библиогр.: 221 назв.

8

2.Транспортные нагрузки и напряжения в конструкци-

. . . . . . . . . . . . . .

3.Упруговязкое деформирование дорожных конструк-

3.1.Деформирование упругого сплошного и слоисто-

4.Устойчивость зернистых шероховатых поверхностей

6.Ударно-импульсное воздействие транспортных нагру-

6.2.Импульсы удельных давлений от транспортных

7.Упруговязкопластическое деформирование дорожных

конструкций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

. . . . . . . . . .

7.1.Причины появления неровностей и критерии рас-

стей . . . . . . . . .

7.3.Деформирование материалов и грунтов при воз-

7.5.Определение пластических перемещений в до-

8.2.Обратимые деформации и скорости колебаний

9.Расчет и конструирование слоистых дорожных конст-

9.1.Комбинаторный метод расчета толщины дорож-

10

ВВЕДЕНИЕ

Механика – очень древняя наука. По мере ее развития в ней были сформулированы законы, составляющие основу естествознания от уровня микро до уровня макро в части взаимодействия твердых тел. Развитие механики происходит вместе с прогрессом общества, задач, которые оно ставит перед собой, и сопровождается ее разветвлением по направлениям. Так, потребности осмысленного строительства зданий, сооружений, в том числе транспортного назначения, вызывали необходимость образования ветвей механики: строительной механики, сопротивления материалов, механики грунтов, механики зернистых сред, механики твердых тел и т.п. Однако в основе всех механик лежат фундаментальные начала (законы), неизменные в течение столетий. К ним относятся законы равновесия, сохранения количества движения, сохранения и преобразования энергии, ньютоновской силы, Р.Гука. В этих законах обязательно присутствуют параметры, описывающие поведение материалов и конструкций: модуль мгновенной и длительной упругости при сжатии, растяжении, модуль сдвига и общих деформаций, коэффициент Пуассона, логарифмический закон усталости и т.д.

Настоящая книга вызвана потребностью в третьем тысячелетии в прочности дорожных конструкций на дорогах и аэродромах России, позволяет рассчитать их и назначить необходимые параметры для практического строительства. Следует отметить, что начало и дальнейшее развитие механики дорожных конструкций заложили ученые Н.Н. Иванов, Б.С. Радовский, М.Б. Корсунский, А.М. Кривисский, В.Д. Казарновский, Ю.М. Яковлев, С.К. Иллиополов и др. В книге использованы и труды зарубежных ученых – Синга и КУО (США), Уэстаргарда и др., там, где они, по мнению авторов, вписываются в логику книги.

Традиционно прочность каждого слоя дорожных и аэродромных одежд убывает с глубиной в соответствии с характером изменения напря- женно-деформированного состояния, а отдельные слои могут быть представлены монолитными и зернистыми материалами. Это изменение прочности по толщине заложено еще в XIX в. Максом Адамом при устройстве парковых дорожек для проезда карет в английских замках. При этом крупный щебень нижнего ряда покрытия расклинивается сверху более мелким, создавая некоторый распор. Эта идея содержалась в технологии строительства «белого шоссе» во всех странах мира, а конструкция получила название от искаженного имени автора – macadam. Поэтому назначить сегодня требуемую толщину одежды невозможно без знания закономерностей на- пряженно-деформированного состояния сплошных, слоистых и зернистых сред при воздействии на них многократных вертикальных и горизонтальных нагрузок от транспорта. В XXI в. транспортные нагрузки – это автопо-

11

езда массой 50–60 т при скорости до 120 км/ч и тяжелые воздушные суда массой 200–300 т при скорости посадки их до 260 км/ч. Кроме того, на- пряженно-деформированное состояние слоистых дорожных одежд ухудшается и усложняется под воздействием переменных температур, вследствие расширения или сжатия слоев при набухании или высыхании из-за изменений влагосодержания. Последнее обстоятельство существенно изменяет работу грунтовых оснований дорог и аэродромов. Применение в «чистом» виде для целей расчета дорожных и аэродромных одежд теорий прочности твердых тел, теорий напряженно-деформированного состояния слоистых сред и плит, моделей грунтовых оснований дорог и аэродромов, теории выносливости материалов затруднительно и требует приложений и интерпретаций применительно к задачам инженерной практики. Дополнительно в состав механики входят вопросы, не рассматриваемые в разделах традиционных наук. Например, учет действительного характера приложения подвижных автомобильных и самолетных нагрузок требует вероятно- стно-статического рассмотрения реальных спектров неровностей покрытий и вероятности прохода по одному следу, теории колебаний автомобиля, самолета, вероятности удара нагрузки о покрытие и волновой теории распространения напряжений и деформаций. Глава 7 подготовлена канд. техн. наук А.С.Александровым.

Авторы уверены, что изучение книги приведет к углублению образования инженеров и строительству достаточно прочных дорог и аэродромов, аспирантам, магистрам и людям, просто любящим механику, придаст толчок для дальнейшего ее развития.

12

1. ВИДЫ И СВОЙСТВА ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Дорожные конструкции проезжей части автомобильных дорог стали достаточно сложными строительными конструкциями с момента развития автомобилизации. До этого в течение почти 10 тыс. лет деревянные с металлическим ободом и обрезиненные колеса арб, колесниц, телег и карет не предъявляли к ездовой поверхности каких-либо повышенных требований к прочности и ровности. Поэтому древние строители дорог вплоть до конца XIX в. строили проезжую часть дороги из древесины, брусчатки, мостовых, каменных плит, из щебня («белое шоссе»). С изобретением пневматического колеса, развитием автомобилизации, увеличением массы и скорости движения автомобилей вместо простейших покрытий дорог появились асфальтобетонные и цементобетонные с повышенными требованиями к их прочности и ровности. Усовершенствование проезжей части дорог продолжалось и в XX в., и сегодня дорожная конструкция проезжей части автомагистрали представляет собой сложное сооружение, позволяющее воспринимать нагрузки от колеса современных автомобилей, обладающее требуемым безопасным сцепление с ними и беспрепятственно удаляющего за пределы дороги дождевые и талые воды (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Дорожная конструкция автомагистрали

13

Дорожные конструкции – это специфическая разновидность строительных конструкций, из которых состоит дорога. В этой разновидности можно выделить основные (ОДК) и вспомогательные дорожные конструкции (ВДК).

Первые выполняют основную функцию дороги – пропуск транспорта с требуемыми скоростями движения.

Вторые способствуют следующему: пропускают воду под дорогой (трубы) или отводят ее (лотки, водотоки), ограждают проезжую часть, обеспечивая этим безопасность движения, укрепляют откосы насыпей от размыва, обеспечивают переходы под дорогой или над ней людей и животных, регулируют и управляют движением транспорта и т.д.

Основная дорожная конструкция (ОДК) состоит из грунта естест-

венного основания (ГЕО), грунта земляного полотна (ГЗП) и дорожной одежды (ДО). Последняя состоит из элементов ДК, состоящих из покрытия, основания, подстилающих слоев и грунтового основания (ГО). Сложные природные условия формируют в грунте земляного полотна сложные водно-тепловые процессы, от которых зависят его прочность и устойчивость к деформациям. В связи с этим вместо сложившегося в середине ХХ в. понятия дорожная одежда, достаточного для обычных условий дорожного строительства, введено понятие основная дорожная конструкция. В этом случае ОДК и ее элементам свойственны классификационные признаки строительных конструкций (несущие и ограждающие), а вспомогательным ВДК – в основном ограждающие. Им же свойственны признаки деления по материалам, степени сборности и стадийности строительства (рис. 1.2). Под влиянием сложных и в основном неуправляемых природных условий дорожные конструкции деформируются с полной или частичной потерей работоспособности.

Совершенно очевидно, что многофункциональная дорожная конструкция может быть построена с применением приоритетных технологий и только в определенной последовательности. Так, для примера (см. рис. 1.1), цементобетонное покрытие проезжей части не может быть устроено раньше, чем система водоотведения. Основная дорожная конструкция – проезжая часть, состоящая из нескольких полос движения (называемая дорожной одеждой), своими геометрическими размерами (шириной, толщиной) определяет продолжительность и трудоемкость технологического процесса по ее устройству. На рис. 1.3, а, б, в показана многополосная проезжая часть дороги I технической категории (4–8 полос в одном направлении) и 2-полосные дороги II, III и IV категорий.

14

а)

б)

в)

Рис. 1.3. Размеры проезжей части дорог России в м: а – дороги I категории,

вскобках – ширина 3- и 4-полосной проезжей части в одном направлении;

б– II и III категорий; в – IV и V категорий

При устройстве однослойного покрытия из асфальтового бетона укладчиком с шириной 3,75 м необходимо сделать от 4-х до 8-ми продольных проходов укладчика на автомагистрали и по 2 прохода на дорогах II, III и IV категорий. Широкозахватные укладчики асфальтобетонных смесей существенно снижают трудоемкость технологического процесса и ускоряют строительство.

Таким образом, особенности дорожной конструкции – ширина, число и толщина слоев – определяют последовательность и продолжительность технологических операций.

В дополнении к отмеченному на рис. 1.4 приведены дорожные конструкции с монолитными цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями. Их толщины рассчитаны по методу Сибирской государственной ав-