Учебное пособие 800553

УДК 625.855:625.72(083.75) ББК 39.112 Г523

Авторский коллектив:

И.А. Гладышева, Т.В. Самодурова, А.В. Еремин, О.В. Гладышева

Проектирование нежестких дорожных одежд [Текст]:учеб. пособие / Г523 И.А. Гладышева [ и др.]; под общ.ред. Т.В. Самодуровой; Воронеж.

гос. арх.-строит. ун-т. - Воронеж, 2010. – 156 с.

ISBN 978-5-89040-252-3

Излагаются основные положения по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд, принципы их проектирования. Рассматривается порядок расчета дорожных одежд по различным критериям.

Приводится необходимые справочные и нормативные данные, основные формулы, таблицы и номограммы для проведения расчетов.

Предназначено для выполнения курсового проектирования студентами четвертого и пятого курсов дневного обучения, пятого, шестого курсов заочного обучения, для дипломного проектирования и для самостоятельной работы студентов, обучающихся по специальностям 270205 - «Автомобильные дороги и аэродромы» и 270201 - «Мосты и транспортные тоннели».

Ил. 41. Табл. 62. Библиогр.: 55 назв.

УДК 625.855:625.72(083.75) ББК 39.112

Рецензенты: кафедра изысканий и проектирования аэродромов военного авиационного инженерного университета (г. Воронеж),

А.Ф. Зубков, докт. техн. наук, зав. кафедрой «Городское строительство и автомобильные дороги»

ГОУВПО Тамбовский государственный технический университет

ВВЕДЕНИЕ

Развитие автомобильного транспорта требует расширения объема и повышения качества строительства автомобильных дорог в России, а также обеспечения сохранности существующей сети автомобильных дорог. Наиболее дорогим конструктивным элементом автомобильной дороги является дорожная одежда.

Перед изыскателями, проектировщиками и строителями стоит задача создать при оптимальных затратах надежные и долговечные сооружения дорожных одежд, способные обеспечить беспрепятственное движение транспортных потоков с расчетными скоростями в любой период года.

Проектирование дорожных одежд нежесткого типа включает большой комплекс расчетов, важнейшей частью которых являются прочностные расчеты, проверка конструкций на морозоустойчивость, проектирование дренирующих слоев.

При этом большое значение имеет принятие конструктивно обоснованных, подтвержденных расчетами оптимальных решений.

В учебном пособии изложены теоретические основы и практические методы конструирования и расчета нежестких дорожных одежд, рассмотрен порядок расчетов на прочность по различным критериям, на морозоустойчивость и проектирование устройств по осушению конструкций. Рассмотрены вопросы проектирования усиления существующих дорожных одежд при капитальном ремонте и реконструкции автомобильных дорог, автоматизации расчетов с использованием программы РАДОН.

Современные методы конструирования и расчета нежестких дорожных одежд изложены в пособии в соответствии с действующими нормативными документами.

Приведены все необходимые справочные и нормативные данные, основные формулы, таблицы и номограммы для проведения расчетов, рассмотрен подробный пример проектирования.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 653600 – «Транспортное строительство» по специальностям 270205 – «Автомобильные дороги и аэродромы» и 270201 - «Мосты и транспортные тоннели». Может быть использовано студентами при курсовом и дипломном проектировании, а также для самостоятельной работы при изучении дисциплины «Основы проектирования автомобильных дорог», входящей в блок дисциплин специализации. Отдельные разделы пособия могут быть использованы при изучении дисциплин «Экономико-математические методы проектирования транспортных сооружений» и «Основы автоматизированного проектирования транспортных сооружений»

3

1.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ РАСЧЕТА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей на проезжей части дороги устраивают дорожную одежду - твердую монолитную конструкцию из одного или нескольких конструктивных слоев, выполненных из разнородных материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию колес автотранспортных средств и погодно-климатических факторов.

Дорожная одежда занимает особое место в комплексе сооружений, которые входят в состав автомобильной дороги. От ее качества и состояния зависят условия и скорости движения транспортных средств, важнейшие потребительские свойства дороги - ровность, прочность и шероховатость, а также безопасность движения.

Непрерывный рост движения как по интенсивности, так и по количеству автомобилей повышенной грузоподъемности вызывает необходимость проектирования и строительства все более мощных и дорогостоящих дорожных конструкций. В связи с этим необходимо дальнейшее совершенствование методов конструирования и расчета дорожных одежд, которые более полно учитывают характер воздействующих на них факторов.

Дорожная одежда работает в сложных условиях и подвержена динамическим нагрузкам от транспортных средств, широкому диапазону изменения температуры в конструктивных слоях (от +50 до -50 0 С), многократному замораживанию и оттаиванию увлажненных дорожно-строительных материалов, избыточному увлажнению грунта земляного полотна.

Конструкции дорожной одежды чрезвычайно сложны для строгого математического описания их деформирования под влиянием транспортных средств, атмосферных условий, длительного периода эксплуатации (жизненный цикл дорожной конструкции составляет несколько десятков лет). В связи с этим значительное место при исследованиях занимают экспериментальные работы в дорожных лабораториях и обследования ранее построенных дорожных одежд.

Долгое время конструкции дорожной одежды назначали на основе опыта работы ранее построенных дорог. До начала 30-х годов в СССР и других странах толщина нежестких дорожных одежд назначалась исключительно на основании имевшегося опыта. Но в 20-е годы прошлого столетия особую значимость приобрели вопросы правильного подбора толщины слоев в конструкции дорожной одежды с учетом природных условий и интенсивности движения.

На определенном этапе потребовался научный подход к их расчету с применением вяжущих материалов. Возникло направление исследований – механика дорожной одежды, изучающая свойства дорожно-строительных материалов, влияние природно-климатических условий на работу дорожных конструкций.

На огромной территории России, с широким разнообразием природноклиматических условий, различиями в интенсивности и составе движения,

4

нельзя применять однотипные инженерные решения. Разработка рациональных и оптимальных конструкций возможна только на основе теоретического анализа закономерностей, которым подчиняются дорожные одежды под влиянием действующих на них факторов. Это явилось одной из причин того, что в СССР

раньше, чем в других странах, начались теоретические исследования в области механики нежестких и жестких дорожных одежд. Они сопровождались значительным объемом лабораторных и полевых опытно-экспериментальных работ. У истоков этих исследований стояли крупные российские ученые: Иванов Н.Н., Бируля А.К., Бабков В.Ф., Корсунский М.Б. [6 - 11].

Основная цель проектирования дорожных одежд состояла в том, чтобы, задаваясь параметрами транспортного потока, установить, сколько и каких слоев различных материалов необходимо уложить на земляное полотно дороги с тем, чтобы в течение срока службы (15-30 лет) не потребовалось капитального ремонта конструкции. Для достижения этой цели решался комплекс научных задач [12].

1.Изучение параметров транспортных потоков. Известно сезонное изменение прочности дорожных одежд из-за изменения температуры и влажности, что делает необходимым прогнозирование интенсивности и состава движения для оценки процессов накопления остаточных деформаций покрытий дорожных одежд в течение жизненного цикла. Знание закономерностей изменения параметров транспортных потоков позволяет более точно и объективно оценивать усталость материалов в процессе накопления остаточных деформаций.

2.Исследование температурного режима конструкции дорожной одежды в зависимости от климатических особенностей места расположения автомобильной дороги. Известна зависимость физико-механических свойств материалов, изготовленных с применением битума, от температуры. Сопротивляемость таких материалов воздействиям нагрузок снижается с повышением температуры, уменьшается их прочность на сжатие и сдвигоустойчивость. Резкое изменение температуры асфальтобетонных покрытий приводит к образованию температурных трещин. Многократное замораживание и оттаивание ведет

кснижению прочности практически всех материалов, применяемых в слоях дорожной одежды. Количественные оценки температурного режима возможны на основе исследования нестационарных случайных процессов изменения температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации и их прогнозирования на срок службы дорожной одежды.

3.Определение максимальной влажности и продолжительности опасного состояния земляного полотна [13]. При расчете дорожных одежд выбирают наиболее опасное состояние конструкции, которое наступает в период весеннего оттаивания грунта. Основные физико-механические свойства грунта земляного полотна зависят от его влажности. Учитывая значительные различия климатических условий территории страны, при решении этой задачи используют обобщенные данные многолетних наблюдений за процессами про-

5

мерзания и влагонакопления в земляном полотне. Такие наблюдения проводят на специально оборудованных постах. Математические моделирование этих процессов служит основой для прогноза изменения влажности и глубины промерзание грунтов на срок службы дорожной одежды.

4.Определение параметров напряженно-деформированного состоя-

ния конструкции дорожных одежд. При решении этой задачи изучаются воздействия динамических и статических нагрузок от транспортных средств и изменяющихся во времени атмосферных воздействий [14-17]. Разрабатываются математические модели системы «конструкция дорожной одежды – земляное полотно» на основе методов математической теории вязкоупругости, упругопластического деформирования сплошной среды, современный математический аппарат решения сложных краевых задач механики сплошной среды. Инженерные расчеты при решении практических задач основаны на существенных упрощениях описания свойств материалов, условий нагружения конструкции, контактных условий на границах слоев, общих граничных условий.

5.Выработка критериев расчета. Повреждения конструктивных слоев дорожной одежды могут происходить из-за чрезмерных напряжений (трещины, волны), абразивного воздействия автомобильных шин (истирание), многократного замораживания и оттаивания, неоднородности грунтов земляного полотна, неравномерного морозного пучения. Решение данной задачи идет двумя параллельными путями. Первый – выработка специальных обязательных требований

кдорожно-строительным материалам в виде норм или стандартов [18-20]. Второй путь состоит в поиске универсальных критериев и расчетных схем для проектирования конструкций дорожных одежд.

6.Учет неоднородности условий по длине дороги. По длине дороги из-

меняются геологические условия, типы грунтов, условия поверхностного стока. Таким образом, дорожную одежду нельзя проектировать с использованием одинаковых параметров. Следует учитывать возможные изменения параметров при оценке напряженно-деформированного состоянии конструкций дорожных одежд, делать обобщенные оценки параметров и прогнозировать распределение возможных повреждений конструкции на участках большой протяженности.

Большим коллективом ученых под руководством проф. Иванова Н.Н. был разработан и впервые опубликован в 1943 году метод расчета нежестких дорожных одежд, названный «методом СоюздорНИИ». В основу метода была положена зависимость распределения вертикальных напряжений по глубине. Метод позволял определять общую толщину дорожной одежды в зависимости от свойств грунтов земляного полотна, нагрузки на колесо, коэффициента концентрации напряжений и коэффициента, учитывающего влияние интенсивности движения [21-25]. Он был признан наиболее передовым из всех известных в мировой практике. За рубежом его часто называют «метод Иванова».

Дальнейшие исследования в области конструирования и расчета дорожных одежд позволили существенно развить методику расчета. В результате многолетних работ в СССР сложилось несколько научных коллективов, рабо-

6

тающих в области конструирования и расчета дорожных одежд, имевших самостоятельную научную направленность и получивших в процессе исследований практические выводы для производства. Однако их объединяло то, что в основу всех теоретических исследований был положен единый принцип работы капитальных многослойных дорожных одежд под действием кратковременных повторяющихся нагрузок в упругой стадии. Профессор Бируля А.К. отмечал, что теоретические и экспериментальные исследования по вопросам конструирования и расчета дорожных одежд необходимо проводить на основе разных научных направлений и для разных природных условий. Эти исследования должны способствовать выдвижению научно-технических идей в области новых доро- жно-строительных материалов, принципов конструирования и методов расчета.

На всех этапах развития дорожной науки в СоюздорНИИ большое внимание уделялось конструированию дорожных одежд, созданию новых дорож- но-строительных материалов (битумов, улучшенных полимерными добавками, каменных материалов, укрепленныех золами уноса, молотыми шлаками и т.д.), использованию в дорожном строительстве различных местных материалов. Ленинградский филиал СоюздорНИИ разработал метод назначения толщины дорожных одежд с усовершенствованными покрытиями. Здесь получен ряд решений в области упругих многослойных систем, дана методика расчета предельного равновесия при сдвиге в грунте и слабосвязных материалах [26, 27].

Многие исследования в области дорожных одежд были проведены на их крупномасштабных моделях в грунтовом канале СоюздорНИИ. Специальный кольцевой стенд, оборудованный приборами и датчиками, позволял изучить поведение моделей под воздействием подвижной нагрузки [12].

ВМосковском автомобильно-дорожном институте был разработан метод расчета толщины дорожных одежд на основе принципа нормативной упругой деформации под воздействием автомобильных нагрузок в наиболее неблагоприятный период года (весной). Рассматривались два условия нагружения: статическое действие колеса автомобиля и кратковременное нагружение в течение сотых долей секунды, близкое к воздействию движущегося колеса [28].

ВХарьковском автодорожном институте были разработаны два метода расчета дорожных одежд: а) метод, который исходит из условия, что модули упругости непрерывно уменьшаются по глубине; б) метод, который исходит из условия, что модули упругости увеличиваются с глубиной. Во всех методах верхние монолитные (связные) слои нежесткой дорожной одежды рассчитывают на изгиб с учетом наибольшей нагрузки на колесо и усталости от повторяющихся воздействий автомобиля [29].

Экспериментальные и теоретические исследования влияния неровностей покрытия на динамическое воздействие транспортных средств проводились в США, Франции, Австралии, Англии, ФРГ.

Внашей стране много работ посвящено изучению транспортноэксплуатационных и прочностных свойств дорожных конструкций, надежности их работы в различных условиях эксплуатации, оптимизации проектирования

7

дорожных одежд [30-35]. На основании этих исследований была создана научная база, необходимая для оценки эксплуатационного состояния автомобильной дороги. Дальнейшее ее развитие происходит по пути уточнения требований к автомобильной дороге в целом и к дорожной одежде в процессе эксплуатации, детального учета работы конструктивных слоев под нагрузкой, влияния свойств применяемых материалов на состояние дорожной одежды.

Одним из наиболее важных направлений, изучаемых многими учеными, является исследование работы покрытий дорожных одежд нежесткого типа – асфальтобетонов. Значительный вклад в решение этих вопросов внесли Радовский Б.С., Богуславский А.М., Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., [36].

Всвязи с тем, что свойства слоев основания, наряду с покрытием, являются определяющими в формировании прочностных показателей дорожных конструкций, большое количество исследований посвящено установлению свойств оснований из местных малопрочных материалов, укрепленных неорганическими вяжущими, а также использование шлаковых материалов для асфальтобетонов. Такие работы проводились в конце прошлого столетия в Отраслевой научно - исследовательской дорожной лаборатории Воронежского инже- нерно-строительного института (ОНИДЛ ВИСИ) Они проводились Самодуровым С.И. [37, 38], Матвеевым Е.В. [39], Ереминым В.Г. [40], Расстегаевой Г.А.

[41]и др.

Впоследние десятилетия возрос интерес ученых к нетрадиционным конструкциям дорожных одежд, в которых имеются слои из объемных георешеток и плоских геосеток [12]. Они позволяют снизить толщину конструктивного слоя и повысить долговечность конструкции дорожной одежды. Большинство результатов исследований использованы в документах, составляющих нормативную базу с области дорожных одежд [1-3, 38-46 ]. Многие положения научных исследований использованы в действующих в настоящее время Отраслевых дорожных нормах ОДН 218.046-2001 и Международных нормах МОДН 2- 2001 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [2, 3]. Вопросы проектирования нежестких дорожных одежд изложены в учебных пособиях, рекомендованных Учебно-методическим объединением для студентов дорожных специальностей [51-55].

Вопросы для самопроверки

1.Какие факторы оказывают влияние на работу дорожных одежд?

2.Для каких целей при проектировании дорожных одежд проводятся исследования параметров транспортного потока?

3.Как влияет температурный режим на работу конструкции дорожной одежды?

4.Какой определяющий принцип положен в основу всех научных исследований нежестких дорожных одежд?

5.Какие научные исследования в области дорожных одежд проводились в ВИСИ ?

8

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖДАХ

2.1. Классификация дорожных одежд

Дорожная одежда – многослойная конструкция (в отдельных случаях однослойная), воспринимающая нагрузку от транспортных средств и передающая ее на грунтовое основание или подстилающий грунт [47].

Большое разнообразие конструкций дорожных одежд, применяемых в настоящее время, затрудняет создание их единой простой классификации из-за многообразия природных условий, местных материалов, а также из-за нестандартности большинства дорожно-строительных материалов.

Наиболее распространены классификации дорожных одежд по условиям работы под нагрузкой от автомобилей, а также по типам и видам дорожных покрытий.

Дорожные одежды по механическим свойствам (характеру работы под нагрузкой) условно делят на две группы: жесткие и нежесткие.

Жесткими называют дорожные одежды, главным конструктивным элементом которых является цементобетонная или железобетонная плита, лежащая в покрытии или основании. Прочность и деформативные свойства цементобетона практически не зависят от температуры, он хорошо сопротивляется растягивающим напряжениям при изгибе, возникающим от временных нагрузок. Расчетная схема жесткой дорожной конструкции – плита конечных размеров, лежащая на упругом основании.

Нежесткие дорожные одежды – одежды со слоями из разного вида асфальтобетонов (дегтебетонов), материалов и грунтов, укрепленных различными вяжущими, а также из слабосвязанных зернистых материалов (щебня, гравия, шлака). Расчетная схема нежесткой дорожной конструкции – упругое полупространство, равномерно нагруженное по площади круга. Прочность слоев, содержащих органическое вяжущее, зависит от температуры окружающей среды.

В настоящее время как в России, так и за рубежом наибольшее распространение имеют нежесткие дорожные одежды.

Эксплуатационные качества дорожных одежд определяются, в основном, покрытиями, которые могут быть разделены на следующие основные конструктивные типы [4]:

-асфальтобетонные покрытия;

-покрытия из щебня и гравия, обработанного органическими вяжущими материалами (смешением на дороге или в установке, с пропиткой, полупропиткой);

-щебеночные покрытия;

-покрытия из естественного гравия или подобранных гравийных смесей, местных малопрочных материалов, шлаков (неукрепленных или укрепленных различными вяжущими);

9

-покрытия из укрепленных грунтов;

-цементобетонные покрытия;

-мостовые;

-естественные грунтовые дороги.

В зависимости от обеспечиваемой степени удобства движения дорожные покрытия делят на два вида - усовершенствованные (капитальные и облегченные) и переходные (переходные и низшие). Классификация типов дорожных одежд и видов дорожных покрытий приведена в табл.2.1.

Таблица 2.1 Классификация типов дорожных одежд и видов покрытий

Выбор типа дорожной одежды при проектировании автомобильной дороги является сложной технико-экономической задачей. Решение этой задачи получают путем сравнения вариантов дорожных конструкций по экономическим показателям, которые учитывают не только стоимость их строительства, но и

10