Учебное пособие 800553

расходы при эксплуатации дороги (содержание и ремонт), а также расходы на перевозку пассажиров и грузов, если варианты конструкции дорожной одежды обеспечивают неодинаковые условия движения в течение срока службы.

Для принятия предварительного решения о целесообразности применения конструкций дорожных одежд различных типов используют данные об интенсивности движения, в зависимости от которой существуют сферы их эффективного применения (см. табл. 2.1). Нормативными документами рекомендуется:

−дорожные одежды капитального типа проектировать на дорогах I-а, I-б, I- в, II категорий и при обосновании на дорогах III категории;

−дорожные одежды облегченного типа – на дорогах III категории и при обосновании на дорогах IV категории;

−дорожные одежды переходного типа – на дорогах IV категории; низшего типа – на дорогах V категории.

2.2. Конструктивные слои нежесткой дорожной одежды

Конструктивный слой – каждый слой дорожной одежды, состоящий из однородных материалов и отличающийся от соседних слоев видом материала, его прочностью и составом [47].

В дорожной одежде различают несколько конструктивных слоев. Схема дорожной конструкции и названия конструктивных слоев приведены на рис.2.1.

Покрытие – верхний, наиболее прочный, относительно тонкий слой дорожной одежды, воспринимающий усилия от колес автомобилей и непосредственно подвергающийся воздействию атмосферных факторов. В связи с тем, что покрытие устраивают из наиболее дорогостоящих материалов, ему придают минимально допустимую толщину.

11

Покрытие обеспечивает необходимые эксплуатационные качества дороги (ровность, шероховатость). Оно должно обладать хорошим сопротивлением износу и возникновению пластических деформаций от вертикальных и горизонтальных усилий. Поверхность покрытия должна быть ровной и обеспечивать хорошее сцепление с ней колеса автомобиля. В населенных пунктах покрытие должно отвечать повышенным требованиям по бесшумности при движении, беспыльности, легкости очистки. Покрытие может включать слой износа, который периодически возобновляется в процессе эксплуатации и не входит в число конструктивных слоев, учитываемых при расчете дорожной одежды. Поверх покрытий, не обладающих достаточной водонепроницаемостью и сопротивлением истиранию, устраивают тонкие защитные слои (слои поверхностной обработки) путем розлива органических вяжущих материалов с засыпкой одномерным мелким щебнем. Поверхностную обработку применяют также для повышения шероховатости гладких покрытий в процессе эксплуатации.

Основание – несущая прочная часть дорожной одежды, расположенная под покрытием и обеспечивающая совместно с покрытием перераспределение напряжений в конструкции и снижение их величины в грунте рабочего слоя земляного полотна (подстилающем грунте).

Основание предназначено для передачи и распределения давления на расположенные ниже дополнительные слои дорожной одежды и на грунт земляного полотна и должно быть устойчивым против сдвига и изгиба. Основание не подвергается непосредственному воздействию колес автомобилей, а влияние погодных факторов передается на него в несколько смягченном виде. Поэтому для устройства основания можно использовать материалы меньшей прочности, чем в покрытии и в слое износа.

Следует различать несущую часть основания (несущее основание) и до-

полнительные слои основания.

Несущее основание может состоять из одного или нескольких слоев. Верхние слои основания устраивают из более прочных материалов. Несущая часть основания должна обеспечивать прочность дорожной одежды и быть морозоустойчивой.

При выборе материала для верхнего слоя основания необходимо учитывать тип дорожной одежды, вид покрытия, а также деформационные и теплофизические свойства материалов и грунтов, укрепленных вяжущими.

Асфальтобетонную часть несущего основания следует предусматривать однослойной. Двухслойное асфальтобетонное основание можно применять только при необходимости использования в нижнем слое асфальтобетона с пониженной сдвигоустойчивостью (высокопористый, песчаный). В этом случае толщина асфальтобетонных слоев должна быть не менее 12 см.

Для нижнего слоя основания используют зернистые материалы: щебень, гравий, щебеночноили гравийно-песчаные смеси, а также малопрочные материалы и грунты, укрепленные неорганическим вяжущим.

12

В районах, недостаточно обеспеченных стандартными каменными материалами, целесообразно применять местные каменные материалы, отходы промышленности и грунты, укрепленные неорганическим вяжущим (цементом, известью, активными золами-уноса и др.)

Дополнительные слои основания укладывают между несущим основанием и подстилающим грунтом. Их предусматривают на участках земляного полотна с неблагоприятными климатическими и грунтово-гидрологическими условиями. Эти слои совместно с покрытием и основанием должны обеспечивать необходимые морозоустойчивость и дренирование конструкции и создавать условия для снижения толщины слоев из дорогостоящих материалов. В соответствии с основной функцией, которую выполняет дополнительный слой, его называют морозозащитным, теплоизолирующим, дренирующим.

К дополнительным слоям и прослойкам относятся также гидро- и пароизолирующие, капилляропрерывающие, противозаиливающие и другие слои.

Дополнительные слои устраивают из песка и других местных материалов, которые используются в естественном состоянии или укрепляются органическими, минеральными или комплексными вяжущими. В этих слоях могут быть использованы различные укрепленные смеси с добавками пористых заполнителей, а также различного рода специальные индустриально выпускаемые материалы (геотекстиль, пенопласт, полимерная пленка и т.д.). При назначении дополнительных слоев нужно учитывать, что при строительстве они должны обеспечивать движение по ним построечных транспортных средств.

Рабочий слой земляного полотна (подстилающий грунт) – верхняя часть земляного полотна, находящаяся в пределах от низа дорожной одежды до 2/3 глубины промерзания, но не менее 1,5 м от поверхности покрытия. Он должен быть тщательно уплотнен и спланирован.

На подстилающий грунт передается и распределяется все давление от автотранспортных подвижных нагрузок, и на него существенно воздействуют природные факторы, поэтому он является важным ответственным элементом конструкции дорожной одежды.

Повышение сопротивления подстилающего грунта внешним нагрузкам, предотвращение увлажнения и возникновения разуплотнения его вследствие морозного пучения, а также осушение и обеспечение постоянства водного режима земляного полотна способствует увеличению прочности, долговечности и экономичности дорожной одежды. Поэтому дорожную одежду и земляное полотно необходимо проектировать совместно – комплексно.

2.3. Требования к дорожной одежде

Надежность, работоспособность и техническое состояние автомобильной дороги в процессе эксплуатации определяют ее технико-эксплуатационные характеристики (ТЭХ АД). В процессе службы дороги и в отдельные сезоны года эти показатели изменяются, ухудшаются при эксплуатации, если не применя-

13

ются своевременные меры по содержанию и ремонту дорог. Для обеспечения движения автомобилей в любое время года с высокой скоростью и при малом расходе топлива к дорожным одеждам и их покрытиям предъявляются следующие основные требования:

1.Прочность дорожной одежды - ее способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием напряжений, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от нагрузок, приложенных к поверхности покрытия (транспортных средств) и изменяющихся погодно-климатических условий местности.

Расчет на прочность включает проверку прочности конструкции в целом

ипрочности отдельных конструктивных слоев. Дорожную одежду считают прочной, если под действием многократно повторяющихся нагрузок от движущихся транспортных средств она сохраняет в течение заданного срока сплошность и удовлетворяет транспортно-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к дороге соответствующей категории и ожидаемым в перспективе составу и интенсивности движения.

2.Надежность. Под надежностью дорожной одежды понимают вероятность безотказной работы конструкции в течение межремонтного периода. Отказ дорожной одежды по прочности характеризуется образованием различных деформаций и разрушений (трещин, выбоин, просадок и т.д.). Дорожную одежду проектируют с требуемым уровнем надежности.

3.Экономичность. Экономичность дорожной конструкции определяют по результатам сопоставления вариантов с оценкой экономической эффективности инвестиций по действующим нормативным документам. Основные экономические показатели должны учитывать как стоимость строительства дорожной одежды, так и затраты на ее содержание и ремонт в течение всего срока службы.

4.Экологичность. Дорожная одежда должна удовлетворять основным экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям (легкость удаления пыли, грязи, бесшумность движения), что особенно важно в городах.

К дорожным покрытиям предъявляются требования, обеспечивающие на весь период срока службы дорожных одежд основные техникоэксплуатационные качества автомобильной дороги. Они включают:

5.Ровность поверхности, необходимая для обеспечения движения автомобилей без ударов, толчков и колебаний с минимальным сопротивлением качению с высокой скоростью.

6.Шероховатость поверхности, обеспечивающая повышенный коэффициент сцепления колеса с покрытием, что необходимо для безопасности движения с высокой скоростью и надежного торможения в случае необходимости.

7.Беспыльность – отсутствие продуктов износа покрытия в виде пыли, уменьшающей видимость и создающей неблагоприятные условия для пассажиров, грузов и частей автомобиля.

8.Устойчивость к воздействию атмосферных факторов.

14

2.4. Силы, действующие на дорожную одежду

В процессе эксплуатации на дорожную одежду от колес автотранспорта передаются статические нагрузки от стоящего автомобиля и кратковремен-

ные (динамические) нагрузки от движущихся автомобилей.

Силы, действующие на дорожную одежду, представлены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Силы, действующие на дорожную одежду: а) от стоящего колеса; б) от движущегося колеса

При статическом нагружении колесо передает на покрытие нагрузку Q, которая в дорожной одежде вызывает вертикальное усилие. Нормальная реакция дороги R = Q приложена в центре колеса и в дорожной одежде вызывает вертикальные напряжения (см. рис.2.2, а).

При движении автомобиля на его ведущем колесе дополнительно действует крутящий момент MK, который вызывает в плоскости следа колеса окружную силу PK, приложенную к площадке контакта шины с дорожным покрытием и направленную в сторону, обратную движению. Сила PK вызывает горизонтальную реакцию дороги T = PK (см. рис. 2.2, б). Тяговое усилие PР вызывает движение автомобиля. Вертикальная реакция дороги R в случае движущегося колеса смещена по следу контакта в сторону движения.

Следовательно, при движении автомобиля от его колес на дорожную одежду передаются вертикальные и горизонтальные усилия, вызывающие в дорожной одежде напряжения, эпюры распределения которых представлены на

рис. 2.3. Величины вертикальных σZ и горизонтальных σX напряжений зависят

от среднего давления колеса на покрытие рср.

Напряжения, возникающие в дорожной одежде, затухают с глубиной. Вертикальные силы создают напряженное состояние в более глубоких

слоях дорожной одежды (см. рис. 2.3, а). Горизонтальные силы действуют, в основном, в верхнем слое (покрытии) дорожной одежды (см. рис. 2.3, б). Такое распределение напряжений позволяет проектировать дорожную одежду нежесткого типа как многослойную конструкцию, используя в отдельных слоях материалы различной прочности в соответствии с действующими усилиями.

15

Величина фактического давления колеса на дорогу имеет значение для оценки горизонтальных усилий, возникающих в зоне контакта при торможении. От этих усилий зависит износ дорожных покрытий и образование на них деформаций (например, характерных сдвигов асфальтобетонных покрытий, которые возникают летом в местах частых торможений у светофоров и на остановках общественного транспорта).

Площадь контакта пневматика с дорогой зависит от величины нагрузки на колесо. Чем больше нагрузка на колесо, тем больше площадь контакта. Однако удельное давление по площади контакта почти не изменяется. Это объясняется тем, что передача давления от колеса на дорогу происходит через сжатый воздух, давление которого при изменении нагрузки на колесо в определенных пределах не меняется. Это очень важное свойство пневматика.

Площадь контакта пневматика имеет эллиптическую форму с отношением осей от 1:1,5 до 1:2,5. При расчетах давления пневматика на покрытие приближенно принимают форму площади контакта в виде круга, площадь которого равновелика площади эллипса.

На рис.2.4 приведена схема следа пневматического колеса эллиптической формы и круг, равновеликий ему по площади.

Рис.2.4. Эллиптическая форма следа пневматического колеса при контакте с покрытием и круг равновеликий ему по площади

2.5.Процессы, происходящие в дорожной одежде под нагрузкой, предельные состояния

Под действием временных нагрузок от автомобилей в дорожной одежде и грунте земляного полотна происходят обратимые или необратимые изменения и деформации, от характера и величины которых зависит эксплуатационное состояние дороги.

Деформация нежестких дорожных одежд является результатом проявления ряда процессов, протекающих одновременно или следующих друг за другом. Схема деформации дорожной конструкции и образования чаши прогиба представлена на рис.2.5.

17

Рис.2.5. Схема образования чаши прогиба и разрушения нежестких дорожных одежд под колесом автомобиля: 1 – чаша прогиба; 2 – зона сжатия одежды; 3 – зоны растяжения; 4 – поверхность среза одежды; 5 – площадь передачи давления на грунт; 6 – уплотнение грунта в основании; 7 – направление сжатия грунта; 8 – выпирание грунта; 9 – трещины в одежде; – величина прогиба

Под нагрузкой от колес автомобиля грунт в верхней части земляного полотна в пределах активной зоны сжимается, что приводит к прогибу дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с образованием так назы-

ваемой «чаши прогиба» глубиной . Если величина прогиба превышает допустимые значения, то возможно разрушение дорожной одежды. Чем больше толщина и жесткость дорожной одежды, тем на большую площадь распределяется давление внешней нагрузки и, следовательно, тем меньше напряжения, передающиеся на грунт.

Под нагрузкой в дорожной одежде происходит сжатие материала в верхней части, то есть в зоне контакта с колесом, и растяжение в нижней части изогнувшихся конструктивных слоев, то есть в зоне контакта с грунтом земляного полотна. При превышении растягивающими напряжениями предела прочности материала в покрытии или основании образуются трещины. По периметру площади контакта внешней нагрузки с дорожным покрытием действуют срезывающие напряжения. При больших нагрузках они могут вызвать пролом дорожной одежды (особенно в тех случаях, когда дорожная одежда имеет малую толщину и слабые по прочности грунты земляного полотна). Пролом дорожной одежды может происходить с выкалыванием ее части, находящейся под нагрузкой, в виде расширяющегося книзу усеченного конуса.

В конструктивных слоях основания дорожной одежды, устраиваемых из несвязных и малосвязных (дискретных) материалов (щебня, песка, гравийного материала и т.п.), а также в подстилающем грунте земляного полотна при превышении касательными напряжениями сопротивления сдвигу могут возникать зоны пластического течения с выжиманием грунта из перенапряженной зоны.

18

Это приводит к быстрому накоплению пластических деформаций дорожной одежды в целом, потере прочности и ее разрушению. Возможно появление продольных трещин на покрытии.

Образование этих видов деформаций зависит от конструкции дорожной одежды, материалов конструктивных слоев. Они меняются от характера приложения нагрузки, длительности ее действия, влажности и температуры конструктивных слоев дорожной одежды.

В соответствии со схемой (см. рис. 2.5) введем понятие упругого прогиба. Упругий прогиб – вертикальная упругая деформация дорожной одежды в центре приложения расчетной нагрузки по следу (отпечатку) спаренных шин.

Экспериментально установлено, что для каждого типа дорожной одежды существует своя критическая величина прогиба ( K). Критический прогиб – это прогиб, при котором происходит разрушение дорожной одежды. Величина критического прогиба по опытным данным в зависимости от типа дорожной одежды составляет

где D – расчетный диаметр следа колеса, см.

Средние значения критического прогиба в зависимости от типа покрытий приведены в табл.2.2.

Таблица 2.2 Средние значения критического прогиба в зависимости от типа покрытий

В результате анализа вышеприведенных процессов и деформаций нежесткой дорожной одежды под нагрузкой установлено, что предельное состояние при их разрушении наступает в трех случаях, схематично представленных на рис.2.6.

19