2308

z, см

Рис. 9.4. Распределение напряжений и прогибов по толщине конструкций при действии подвижной нагрузки группы А1 (100 кН на ось) и нагрузки от самолета «Боинг 747-40» (463,4 кН на опору)

Из них следует, что одна и та же конструкция, устроенная на автомагистрали и взлетно-посадочной полосе аэродрома, испытывает на последней более сложное и тяжелое динамическое деформационное состояние (ДДС), проявляющееся в том, что при увеличении на неё подвижной колесной нагрузки лишь в 4,63 раза динамический прогиб (вертикальные колебания) увеличивается в 22 раза, скорость колебаний – в 120 раз, а ускорение – в 80 раз.

Кроме этого, из рис. 9.2, 9.3 и 9.4 следует, что принятая для расчета конструкция:

-пригодна для дороги только III категории, т.к. динамический прогиб

в0,38 мм меньше допустимого в 0,406 мм (см. табл. 9.1);

-непригодна для устройства ВПП аэродрома, т.к. динамический прогиб в 6,5 мм от самолета «Боинг 747-400» больше допустимого в 1,66 м (см. табл. 9.2) и поэтому требуется увеличение толщины конструкции;

-допускает проникновение заметных динамических напряжений сжатия от автомобильной нагрузки А1 (100 кН на ось) на глубину 129 см, а от самолетной «Боинг 747-400» – на глубину 171 см. Вместе с этим высокочастотные колебания локализованы в основном в покрытии и основании конструкции;

-форма вертикальных перемещений конструкции, её затухающий во времени характер совершенно не адекватны статической теории изгиба плит и многослойных сред.

9.1.Комбинаторный метод расчета толщины дорожных

и аэродромных конструкций

Общим гарантом устойчивости слоистой дорожной или аэродромной конструкции при выполнении условия (9.1) является конкретная толщина слоев конструкций, эквивалентная по способности изгибаться под нагрузкой одному из слоев (нижнему или верхнему). Это виртуальная величина, измеряемая в единицах толщины (см, м) и называемая эквивалентной толщиной слоистой конструкции.

Для двухслойной конструкции с толщиной первого слоя h1 и модулем упругости E1, лежащем на слое бесконечной толщины с модулем упругости Е0, эквивалентная толщина составит

Нэ h1 3E1 E0 .

Для конструкции из М числа слоев и нижним бесконечным слоем

Для современных нагрузок на дороги I–III категорий (нагрузки группы А1 – 100 кН на ось), а также для категорий нагрузок на ВПП аэродромов от современных самолетов эквивалентная толщина конструкций нормирована на рис. 9.5. Назначение эквивалентной толщины из рис. 9.5 производится умножением на коэффициент ψ, учитывающий расчетную влажность и вид грунтов в основании дорожной или аэродромной конструкции.

Таблица 9.3

Значение коэффициента ψ

Эквивалентная толщина из рис. 9.5 может быть представлена и как эквивалентная свойствам покрытий дорог и аэродромов. Для этого эквивалентная толщина конструкции с асфальтобетонными покрытиями и дискретными основаниями уменьшается в 4,95 раза, а с цементобетонными покрытиями и укрепленными цементом основаниями – в 9 раз. При этом в формулах табл. 9.4 вместо модуля упругости грунтового основания Е0 используют модуль упругости покрытия Е1.

Расчет толщины каждого слоя многослойной конструкции при известной эквивалентной толщине Нэ производится по формулам табл. 9.4 путем последовательного придания толщинам других слоев постоянных значений. Это дает возможность рассчитать значительное количество равнопрочных вариантов конструкций. Количество вариантов многократно увеличивается при расширении набора применяемых материалов. При этом возможны многочисленные комбинации соотношений толщин и свойств материалов дорожных конструкций и сам расчет становится комбинаторным.

Независимо от результатов расчета и для предварительного назначения толщин слоев конструкции она должна быть не менее:

- в покрытии верхний слой h1 из плотного асфальтобетона – 4–6 см; из цементобетона – 14–28 см;

- в покрытии нижний слой h2 из пористого асфальтобетона – 6–12 см; из цементобетона – 14–28 см;

- в основании слой h3 из дискретных материалов – 12–36 см;

из укрепленных грунтов и каменных материалов – 16–32 см;

- подстилающий слой h4 из дренирующих материалов (пески и т.п.) – 20–50 см.

.

Пример 1. Рассчитать толщину щебеночного основания дороги II категории с покрытием из плотного асфальтового бетона типа Б (смесь I марки) трех вариантов: толщиной 10, 14 и 18 см, песчаного подстилающего слоя из среднезернистого песка толщиной 30 см и при расчетной относительной влажности суглинка тяжелого в земляном полотне 0,8.

Решение. Толщина щебеночного основания определяется по формуле для четырехслойной системы из табл. 9.4:

Из рис. 9.5 и табл. 9.3 Нэ = 140·1,28 = 179,2 ≈ 180 см (при Е1 = 5000 МПа; Е0 = 47 МПа; Е3 = 600 МПа; Е2 = 120 МПа).

Для толщины асфальтобетонного покрытия в 10 см толщина щебеночного основания составит

Пример 2. Рассчитать три варианта толщины цементогрунтового основания под цементобетонное покрытие ИВПП аэродрома.

Толщина бетонного покрытия – 28 см. Категория нагрузок аэродрома – I. Бетон покрытия – класса В40.

Грунт летного поля в основании ИВПП – супесь при расчетной относительной влажности 0,7.

Укрепленный грунт основания 1-го варианта – неоптимальная песча- но-гравийная смесь, укрепленная цементом I класса (марки) прочности;

2-го варианта – щебень или гравий, укрепленный цементом (М75); 3-й вариант – цементобетон (В20).

Решение. Толщина укрепленного основания определяется по формуле для трехслойной системы из табл. 9.4:

h2 Hэ h1 3E1E0 3E1E0 .

Из рис. 9.5 и табл. 9.3 Нэ = 570·0,94 = 536 см.

При Е1 = 30000 МПа; Е0 = 47 МПа; Е2 = 500 МПа; Е2 = 1000 МПа;

Е2 = 2000 МПа толщина основания из песчано-гравийной смеси, укреп-

ленной цементом, h2 536 28 3300047 350047 536 28 8,6 3,2

Очевидно, что чем больше вариантов равнопрочных конструкций будет рассмотрено при окончательном обосновании (техническом или экономическом), тем надежнее и рациональнее будет результат. Таким образом, комбинаторный метод расчета толщины многослойных конструкций дорог и аэродромов многовариантен, основан на физической волновой теории динамического напряженно-деформированного состояния и достаточно прост для инженерного применения.

9.2. Стандарты дорожных конструкций

Интенсивное развитие автомобилизации России предъявляет законные требования к дорожной отрасли – обеспечение потребителя прочными и безопасными дорогами. Это касается как их количества, так и качества. На протяжении второй половины ХХ в. в России создавалась сеть дорог, достигающая сегодня 1 млн км. По оценкам Минтранса РФ, необходимо построить еще 600 тыс. км. Существующая же сеть дорог нуждается на 50 % протяженности в реконструкции или капитальном ремонте. Нельзя сказать, что за это время в России (и СССР) не «боролись» за качество дорог. Периодически создавались типовые проекты земляного полотна и дорожных конструкций (одежд), разрабатывались и применялись ГОСТы на основные материалы для дорожного строительства (асфальтобетон, цементобетон, щебень, песок). Но и они отставали от уровня современных требований автомобилизации. В результате в начале третьего тысячелетия сеть дорог России федерального, территориального и муниципального подчинений представляет собой чрезвычайно пеструю картину в части дорожных конструкций проезжей части, их прочности и срока службы. Это создает обстановку хаоса в части управления дорогами, их ремонтом и содержанием. Одной из причин этого является отсутствие в РФ системы стандартизации дорожных конструкций, которая создавала бы стандарты в части толщины слоев и прочности и которую обязаны были соблюдать все подрядчики и заказчики строительства дорог.

Впрочем, в последнее время видимость стандартизации хотя бы материалов покрытий дорог ФДС и Росавтодором создана. Например, сегодня разрешен к применению и соблюдению при строительстве дорог ГОСТ на асфальтобетон, в котором минимальная прочность на сжатие – 2,2 МПа. Между тем, по дорогам давно движутся транспортные средства с удельным давлением на покрытие 0,6–0,8 МПа, массой до 50 т и скоростью до 110 км/ч. Таким образом, прочность асфальтового бетона только в 2,5– 3,5 раза больше. Давно известно, что при соотношении прочность– контактное давление менее 10 в большинстве дорожно-строительных материалов будут накапливаться деформации, выражающиеся в колееобразовании. То есть применение отставших от реалий дня ГОСТов, нормалей,

СНиПов и т.п. создает предпосылки для преждевременных разрушений на дорогах.

Необходимость создания стандартов дорожных конструкций диктуется прежде всего возросшими нагрузками на оси транспортных средств (100, 110 и 130 кН), высокой скоростью их движения и формированием в конструкциях динамического напряженно-деформированного состояния, существенно отличающегося от статического качественно и количественно. Нельзя считать пригодными для расчета и обоснования стандарта дорожных конструкций автомагистралей и скоростных дорог действующие нормативы, так как их инженерная идеология основана на статическом (неподвижном) действии колесной нагрузки и применении большого числа коэффициентов, компенсирующих недостатки теории. Стандарты дорожных конструкций должны быть созданы для федеральных, территориальных, муниципальных (сельских и городских) дорог, доступны инженерам практикам, и основываться на глубоких теоретических познаниях о работе дорог.

Если такие стандарты дорожных конструкций и созданы, то органы лицензирования дорожно-строительной деятельности должны отслеживать обязательность их применения. За рубежом (ФРГ, США и др.) существуют и широко применяются стандарты дорожных конструкций и, может быть, благодаря им дороги этих стран считаются лучшими.

В Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии в результате многолетних исследований создана динамическая теория работы слоистых конструкций на воздействие подвижных нагрузок. На ее основе разработан метод расчета слоистых дорожных и аэродромных конструкций. Суть его в том, что в устойчивой и прочной дорожной конструкции динамический обратимый прогиб поверхности при воздействии подвижной нагрузки не должен превышать допустимой. Привлекательность метода динамического прогиба в том, что каждая полученная расчетом дорожная конструкция с конкретной толщиной и числом слоев и свойств имеет расчетные прогибы, которые могут применяться с целью контроля прочности. Этот метод реализован в программе для ПВМ «DINWAY», с ее помощью рассчитаны стандартные толщины дорожных конструкций из цементобетона и асфальтобетона в относительно сухих местах и на болотах (табл. 9.6).