2549

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

А.В. Смирнов

РАСЧЕТ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

АВТОМАГИСТРАЛЕЙ

НА ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ

Монография

Омск

СибАДИ

2012

4

УДК 625.711.3 ББК 39.311-12

С 50

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. А.Л. Исаков, Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС);

д-р техн. наук, проф. О.А. Красиков, Российский дорожный научно-исследовательский институт (РосДорНИИ)

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии.

Смирнов А.В.

С 50 Расчет дорожных конструкций автомагистралей на прочность и выносливость: монография / А.В. Смирнов. – Омск: СибАДИ, 2012. – 116 с.

ISBN 978–5–93204–606–7

В монографии приведены история развития идеологии прочности дорог в России за последние 50 лет, инновации в части требований к прочности и выносливости автомагистралей, классификация тяжести движения транспортных потоков на них, применение метода «динамического прогиба» для расчета общей толщины дорожных конструкций, обоснование выносливых покрытий и т.д., а также методики расчета и конструирования и примеры дорожных конструкций для современных автомагистралей.

Книга предназначена для инженеров-практиков дорожного строительства и студентов-бакалавров, магистров вузов автодорожного профиля.

Табл. 41. Ил. 43. Библиогр.: 25 назв.

5

5.Численный анализ дискретной модели волнового динамического деформирования упругого полупространства при воздействии подвижной нагрузки. Амплитудно-частотная характеристика и

виброколебания…………………………………………………………… 22 …...

6.Эквивалентность воздействия подвижных транспортных средств

12. Учёт влияния на толщину типовых дорожных конструкций региональных особенностей рельефов местности, увлажнения и поведения связных грунтов, дорожно-климатических зон РФ и видов

материалов слоев конструкции…………………………………………… 108

Общие выводы и заключение…………………………………………... 111

Библиографический список………………………………….................. 114

6

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая книга посвящена проблеме прочности покрытий автомагистралей. Вызвано это тем, что доля автомагистралей в сети дорог России постепенно возрастает, как и ответственность за их качество и прочность. Недостаточная прочность проезжей части строящихся автомагистралей и дорог является главной причиной их преждевременного разрушения. Это вынуждает производить ремонт со значительными для России затратами средств, а при нехватке их приводит к параличу транспортной сети и снижению эффективности работы транспорта [3]. С учетом этого проблему прочности автомагистралей и дорог следует считать стратегически важной для России.

Нельзя не отметить значительное количество монографий, посвященных прочности и «долговечности» покрытий дорог. Однако из них не следуют убедительные выводы о том, какая дорожная конструкция и с каким покрытием приемлема для современных автомагистралей. Крупной монографией прошлых лет является книга Н.Н. Иванова «Расчет и конструирование нежестких дорожных одежд», объединившая взгляды ученых того времени и заложившая условия для дальнейшего развития механики дорожных конструкций.

Между тем новые времена работы дорожных конструкций на автомагистралях (в основном уже в XXI веке) привносят новые условия и явления. Возросли осевые нагрузки многоосных транспортных средств до 130 кН/ось, скорость их движения – до 120 км/ч, плотность их в транспортных потоках. Заметную роль в поведении покрытий стали играть такие явления, как динамика и колебания, а также выносливость при многоцикловом загружении (до 10 млн). Действующие нормативы России для назначения требуемой прочности и толщины покрытий уже недостаточны для учета указанных явлений. Настоящая монография указывает современный путь учета этих явлений, хотя автор осознает недолговременность ее выводов, но тем не менее, предназначает ее дорожным инженерампрактикам, проектировщикам, студентам старших курсов вузов, аспирантам и магистрам дорожных технологий.

Автор выражает признательность сотрудникам СибАДИ Е.В. Андреевой, А.Г. Малофееву, А.С. Александрову, В.Ф. Игнатову, способствовавшим рождению технических идей у автора, а также докторам технических наук В.Б. Пермякову, В.Н. Ефименко, А.Л.

7

Исакову, К.Н. Ленцу (ФРГ), Б.В. Телтаеву (респ. Казахстан), В.А. Осиновской, Е.В. Угловой (РГСУ) и др. Техническую помощь в подготовке книги к изданию оказали А.Ю. Баженова и студент С.А. Охрименко. Автор благодарен и этим коллегам.

1.ОБЗОР ИДЕОЛОГИЙ ПРОЧНОСТИ ДОРОГ РОССИИ (1960 – 2010 гг.)

ИСОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НЕЙ

Под идеологией прочности здесь понимается совокупность взглядов на работу дорог инженерного и научного сообщества России, выражаемую в форме учения о прочности.

На протяжении полувека идеологии прочности дорог России радикально менялись трижды. В начале этого периода (1960 – 1972 гг.) после проведения в 1957 г. массовых испытаний дорог был введен в практику проектирования и строительства дорог норматив ВСН 4660. Идея управления прочностью дорог и их состоянием в этом документе состояла в том, что дороги будут служить некоторое время, если относительная деформация вдавливания в покрытие жесткого штампа не превысит допустимый предел. Относительная деформация включала в себя упругую (обратимую) и остаточную, а допустимая деформация была корреляционно связана с интенсивностью движения расчетного грузового автомобиля с нагрузкой на ось 6 т. Расчет требуемой толщины дорожной одежды производился на основе задачи с распределениями напряжений и деформаций в двухслойной деформируемой среде, что давало результат в 30–40 см. Но спустя уже половину расчетного срока службы на покрытиях таких дорог возникали трещины, просадки и колееобразование.

Уже в конце пятидесятых годов 20 века в США были проведены масштабные испытания сотен дорожных конструкций, позволившие установить корреляционную связь «индекса эксплуатационной надежности» со значением упругого (обратимого) прогиба конструкции. Было установлено, что меньшему значению упругого статического прогиба соответствовало лучшее состояние покрытия конструкции и большее значение «индекса». В это же время был изобретен прибор для измерения статического упругого прогиба (балка Бенкельмана), быстро распространившийся во многих странах и СССР. Поэтому с 1972 г. начался следующий период замены идеологии прочности дорог. В этот период до 1983 г. толщина

8

дорожной конструкции рассчитывалась по методу упругого обратимого статического прогиба (метод МАДИ) по Инструкции ВСН 46-72. Обратимый упругий прогиб (расчетный и требуемый) был преобразован в расчетный и требуемый модули упругости. Последний корреляционно был связан с суточной интенсивностью движения расчетных автомобилей уже с нагрузкой в 100 кН на ось. Полученная толщина дорожной конструкции из равенства расчетного и требуемого модулей упругости составила уже 40÷50 см, и вместо декларированного расчетного срока службы конструкции в 15÷16 лет на покрытиях через 7,5÷8 лет опять возникали температурные и усталостные трещины и колея.

Третий период развития идеологии прочности дорог был начат в 1983 г. и продолжается до настоящего времени (уже 27 лет). Он состоит в применении трехкритерийного метода расчета толщины и прочности дорожных конструкций и идеи равенства обратимого упругого статического прогиба требуемому (или допустимому).

Рассчитанный из теории двухслойной упругой среды упругий прогиб, преобразованный в общий эквивалентный модуль упругости конструкции, сравнивается с требуемым модулем упругости, который получают с учетом уже общего числа нагружений дорожной конструкции за 20 лет эксплуатации грузовыми автомобилями с нагрузкой в 100 или 115 кН на ось. Применение критерия прочности асфальтобетонных покрытий на растяжение при изгибе уточнило минимальную их толщину, а критерия прочности на сдвиг слабосвязных слоев конструкции и грунтов земляного полотна несущественно изменяло их толщину. Недостатком этих двух критериев прочности является то, что они никак не контролируются в конструкции в отличие от критерия упругого обратимого прогиба. С этими недостатками в Инструкции ОДН 218.046-01 произвольно увеличен начальный коэффициент прочности по упругому прогибу до 1,3÷1,5, компенсируя неработающие второй и третий критерии.

Сравнение инструкции ОДН 218.04-01 с нормами европейских государств (например, RSTO 2010, ФРГ) показывает, что (табл. 1.1):

1.Отличий в нагрузках от двухосного расчетного грузовика нет

(100 кН/ось и 115 кН/ось).

2.Различие в прогнозируемом числе нагружений полосы движения автомобилями в 100 кН/ось достигает от 4 до 10 раз. В России за 20 лет эксплуатации полоса движения автомагистрали будет испытывать 3 млн нагружений, а в Германии за 30 лет – 30 млн.

9

Происходит это за счет неверного приведения тяжелых транспортных средств к расчетному автомобилю (ошибка в 200 %), заимствованного еще из Инструкции ВСН 46-83.

10

Годы

11

12