Проектирование автомобильных дорог Часть 1

складывается из отнесенных к 1 т-км расходов организаций на строительство, текущий и капитальный ремонты и содержание до­ рог. Обычно дорожная составляющая перевозок не превышает 10— 15% полной себестоимости перевозок.

15.4.Характеристики прочности грунтов

иматериалов конструктивных слоев дорожных одежд

Надежные результаты расчетов толщины дорожных одежд мо­ гут быть получены только при использовании достоверных значе­ ний параметров, характеризующих материалы конструктивных сло­ ев одежды и подстилающего грунта. При проектировании новых дорог обычно пользуются приводимыми в нормативных документах таблицами расчетных значений модулей упругости грунтов и мате­ риалов конструктивных слоев дорожной одежды. При разработке проектов реконструкции дорог, когда возникает вопрос об усиле­ нии изношенной существующей дорожной одежды, ее модули упру­ гости определяют экспериментально, измеряя прогиб под колесом тяжелого грузового автомобиля и вычисляя по нему модули так называемым методом обратного перерасчета, используя формулы для расчета дорожных одежд по измеренным прогибам (см. ч. 2, п. 27.8). Этот метод является также основным при накоплении дан­ ных для нормирования расчетных параметров грунтов.

В связи с тем что для грунтов нет прямой пропорциональности между давлением и деформацией, модуль упругости изменяется при различных значениях погружения штампа. Малым деформациям соответствуют несколько большие значения модулей.

Для каждого типа дорожной одежды существует свое критиче­ ское значение прогиба. Для жестких" одежд оно в 3—4 раза мень­ ше, чем для нежестких. Поэтому, строго говоря, условиям работы каждого типа одежд соответствует свое индивидуальное значение модуля упругости подстилающего грунта. Наиболее значительно модуль упругости грунта изменяется при очень малых деформа­ циях, характерных для прогиба монолитных цементобетонных одежд. В интервале больших деформаций, соответствующих раз­ рушающим прогибам для дорожных одежд, обладающих малым сопротивлением изгибу (нежесткие одежды), изменения модуля уп­ ругости сравнительно невелики. При расчетах в запас надежности для всех типов дорожных одежд как жестких, так и нежестких при­ нимают одинаковые значения модулей упругости.

Водно-тепловой режим земляного полотна изменяется в течение года. Соответственно изменяются в течение года и модули упругости и деформации грунта основания (рис. 15.6). Чем меньше вероят­ ность переувлажнения грунта в основании дорожной одежды, тем выше принимают их расчетные значения.

Особенно сильно значения модуля упругости снижаются во вре­ мя весеннего переувлажнения. К этому периоду относятся расчет-

311

ные значения модуля упругости, приводимые в инструкциях по расчету нежестких одежд. В су­ хое время года, а также зимой, когда грунт находится в замерз­ шем состоянии, модуль грунта много выше табличных значений, что следует учитывать при оцен­ ке возможности пропуска по до­ роге тяжелых нагрузок в соответ­ ствующие сезоны года.

В результате изучения водно­ теплового режима земляного по­ лотна автомобильных дорог в разных районах страны были установлены характерные влаж­ ности верхних слоев земляного полотна под дорожной одеждой для разных характерных типов

местности по условиям увлажнения. В качестве примера в табл. 15.3 приведены влажности грунтов для 1Г и IV дорожно-климати­ ческих зон.

Введение в конструкцию дорожной одежды гидроизолирующих прослоек, морозозащитных слоев, устройство прикромочных дрен, укрепление обочин и повышение отметок земляного полотна над ■источниками увлажнения улучшает водный режим подстилающего грунта. В этих случаях при расчете дорожных одежд приведенные выше средние влажности грунта уменьшают на 0,03—0,05.

П р и м е ч а н и е . WT — влажность границы текучести.

312

одежд зависят от прочности составляющих их каменных материа­ лов, количества вводимого вяжущего и способа постройки.

Для материалов с органическим вяжущим модуль упругости и сцепление зависят от температуры, до которой они могут нагре­ ваться в жаркие дни, и, кроме того, как для всех анизотропных материалов, от вида испытываемой деформации и продолжитель­ ности ее действия. Считается, что дорожные одежды на проезжей части подвергаются нагрузкам продолжительностью 0,1 с, а на сто­

значения модулей упругости.

Некоторые средние значения расчетных характеристик материа­ лов конструктивных слоев приведены в табл. 15.5.

Правильно сконструированная и рассчитанная дорожная одеж­ да должна обеспечивать пропуск расчетных нагрузок и интенсивно­ сти в течение расчетного срока между капитальными ремонтами. Однако в процессе строительства земляного полотна и дорожных одежд неизбежны незначительные отклонения от нормативных требований к степени уплотнения грунта и прочности асфальтобе­ тона, а также от средних погодно-климатических условий района

313

расчете на общий прогиб одежды и на сдвиг при разных температурах покрытий, при кратковременных нагрузках; б — при длительном статическом действии нагрузки (на сто­ янке); в — при расчетах на изгиб.

2. Угол внутреннего трения для грунтов, укрепленных жидким битумом, составляет: для непылеватых супесей 25—35°; для пылеватых супесей и суглинков 15—25°.

строительства. При неблагоприятных сочетаниях этих факторов в отдельные периоды прочность дорожных одежд может оказаться меньшей, чем требуется ,по условиям движения и нагрузки.

Поэтому при расчетах для обеспечения запаса надежности в зна­ чения расчетной влажности грунтов и модулей упругости асфаль­ тобетона (параметры, наиболее подверженные влиянию погодных факторов), вводятся коэффициенты, обеспечивающие «уровень про­ ектной надежности», которым называют отношение прочности до­ рожной одежды в период возможного ее наибольшего ослабления к расчетной прочности.

Расчетные значения характеристики грунтов и покрытий при­ нимают:

влажности и прочности

Wр = W (1 -{- tvw):

среднее сопротивление асфальтобетона или дегтебетона растя­ жению при изгибе

/?p = / ? ( l - f v * ) K y K m -

314

Кт — коэффициент снижения прочности асфальтобетонов от воздействия природ­ ных факторов. В зависимости от марки бетона и района строительства прини­ мается равным 0,8—1 для плотных бетонов и 0,7—0,9 для бетонов на гравийных материалах и щебне осадочных пород; для дегтебетонов К т =0,7; К у — коэффи­ циент усталости, зависящий от интенсивности движения и типа асфальтобетона, меняющийся в пределах от 0,8—0,9 до 1,8—2,4. Для интенсивности 1000 авт./сут

Уровень надежности принимают в зависимости от категории до­ рог, капитальности одежды и типа покрытия согласно табл. 15.6.

Глава 16

РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

16.1. Нагрузка на дорожную одежду

Давление колес автомобилей на дорожную одежду является ос­ новной нагрузкой, из которой исходят при расчете дорожных одежд.

Современные автомобили имеют пневматические шины с внут­ ренним давлением воздуха от 0,15 до 0,7 МПа. Различают шины низкого давления с давлением воздуха 0,175—0,55 МПа и шины высокого давления с давлением воздуха 0,5—0,7 МПа.

Нагрузка от колеса передается на поверхность дороги через площадь

где G„ — статическая нагрузка от колеса на покрытие, Н; ро — давление воз­ духа в шине, Па; Лж — коэффициент, учитывающий влияние жесткости боковых стенок шин, равный в среднем 1,1.

315

При движении давление колеса на покрытие повышается в ре­ зультате влияния ряда факторов: нагревания шины и увеличения в ней внутреннего давления воздуха; увеличения жесткости шины от влияния растягивающей покрышку центробежной силы: кратко­ временности контакта с покрытием каждого участка шины, в ре­ зультате чего шина не успевает обжаться до размера, соответству­ ющего статическому приложению фактически действующей нагруз­ ки, т. е. как бы становится более жесткой.

Кроме того, поверхность дороги всегда имеет неровности в ви­ де волн разной длины (от 1 до 20 м и более), при движении по ко­ торым возникают колебания автомобиля. Давление колес на по­ крытие то возрастает, то уменьшается по сравнению со средним зна­ чением.

Исследование колебаний подвески автомобилей при движении по дороге, неровности на покрытии которой характеризуются за­ кономерностями математической теории случайных функций, дают возможность определить силовое взаимодействие дороги и автомо­ биля К

Результаты теоретического анализа и опытные данные привели к выводу, что при скорости до 80 км/ч среднее значение давления на покрытие возрастает примерно прямо пропорционально скорос­ ти, а далее остается практически постоянным.

Из-за проявления вязкости грунтов и материалов некоторых конструктивных слоев деформации дорожных одежд протекают за­ медленно. Полный прогиб одежды, соответствующий приложен­ ной нагрузке, достигается лишь по прошествии нескольких минут. При кратковременном воздействии на дорогу катящегося колеса в результате замедленности протекания деформации и инерционного сопротивления дорожная одежда прогибается меньше, чем при ста­ тическом приложении равной нагрузки. Поэтому можно считать, что в этом случае динамический коэффициент для грунтового основа­ ния менее единицы.

При неровной поверхности динамический коэффициент для грун­ тового основания превышает единицу, но меньше коэффициента, измеренного по непосредственному ударному воздействию колеса на поверхность дороги. Динамический коэффициент тем выше, чем более неровно покрытие. При расчетах дорожных одежд его при­ нимают 1,3.

В СССР за расчетную нагрузку для дорожных одежд всех ти­ пов на загородных участках дорог принимают осевые автомобиль­ ные нагрузки 60 и 100 кН (6 и 10 тс). За рубежом во многих стра­ нах расчеты ведут на осевые нагрузки в 100 и 130 кН.

Данные о расчетных нагрузках приведены в табл. 16.1.

1 Динамика системы дорога — шина — автомобиль — водитель/А. А. Хачату­ ров, В. Л. Афанасьев, В. С. Васильев и др. М.: Машиностроение, 1976. 536 с.

316

Т а б л и ц а 16.1

Нагрузки от автомобилей группы А используют при расчетах одежд на дорогах I—III, 1с и Нс категорий. Предусмотрен постепен­ ный переход на расчет на эту нагрузку одежд и вновь строящихся дорог IV категории. В дальнейшем в процессе капитальных ремон­ тов одежды на дорогах IV категории будут усиливаться под на­ грузку 100 кН. Дороги V категории, если по ним не предусматри­ вается проезд большегрузных автомобилей, рассчитываются на осе­ вую нагрузку 60 кН.

16.2. Прочность нежестких дорожных одежд

Деформация нежестких дорожных одежд является результатом проявления ряда процессов (рис. 16.1), протекающих одновремен­ но или следующих друг за другом:

грунтовое основание дорожной одежды сжимается под нагруз­ кой в пределах активной зоны, вследствие чего происходит прогиб дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с об­ разованием так называемой чаши прогиба глубиной Д. Чем боль­ шую толщину и жесткость имеет дорожная одежда, тем на боль­ шую площадь распределяется давление внешней нагрузки и, сле­ довательно, тем меньше напряжения, передающиеся на грунт;

под нагрузкой происходит сжатие материала дорожной одеж­ ды, а в нижней части изогнувшихся конструктивных слоев — рас­ тяжение. При превышении растягивающими напряжениями пре­ дела прочности материала в покрытии или основании образуются трещины. По периметру участка контакта нагрузки с покрытием действуют срезывающие напряжения, которые при больших нагруз­ ках вызывают пролом дорожной одежды, иногда с выкалыванием

317

точные деформации, связанные с дополнительным уплотнением, которые в дальнейшем прекращаются, и одежда затем испытывает только упругие деформации (линия I). Происходящее в процессе эксплуатации дороги незначительное накопление деформаций связайо с процессами старения и износа материала конструктивных слоев одежды.

При проезде нагрузок, превышающих расчетные или при вре­ менном снижении прочности грунтов основания в весенний или осенний периоды возникают постепенно накапливающиеся малые пластические деформации (линия //). Бели их суммарное значение за период ослабления одежды превысит некоторое допустимое зна­ чение, одежда разрушится (линия III).

Таким образом, прочность одежды зависит от предельного до­ пустимого прогиба и количества приложений нагрузки за период ослабления. При очень больших нагрузках или при значительном снижении прочности грунта осадки, вначале накапливающиеся за­ медленно, в дальнейшем начинают быстро возрастать и происходит полное разрушение одежды.

В зависимости от требований, предъявляемых к дороге, расчет толщины дорожной одежды можно вести из условия достижения заданного значения деформации.

Считается, что дорожные одежды с покрытиями капитальных типов должны работать в стадии упругих деформаций с обеспече­ нием достаточного запаса прочности и в наиболее неблагоприятные периоды года, когда грунт имеет наименьшую прочность. На доро­ гах с покрытиями усовершенствованных облегченных типов до­ рожные одежды также рассчитывают на работу 'без допущения воз­ можности накопления пластических деформаций, но с меньшими запасами прочности, чем при покрытиях капитальных типов.

Одежды с покрытиями переходных типов, восстановление ров­ ности которых легко осуществимо, рассчитывают, допуская неко­ торое накопление деформаций под действием движения. Это дает возможность снижения толщины дорожной одежды.

Принятый в СССР метод расчета нежестких дорожных одежд является итогом многолетней работы большого коллектива ученых, начатой под руководством проф. Н. Н. Иванова. Значительный вклад в создание этого метода внесли профессора А. М. Кривисский и М. Б. Корсунский.

В связи со сложностью процессов, протекающих в деформиру­ емой дорожной одежде, за обобщенный показатель ее прочности при расчете принимается комплексная характеристика —допуска­ емый упругий прогиб. Конструкцию дорожной одежды, удовлетво­ ряющую этому основному требованию, дополнительно проверяют по следующим критериям: устойчивости несвязных слоев против воз­ никновения сдвигов, допустимому значению растягивающих напря­ жений в слоях связных материалов, допустимому значению зимне­ го вспучивания, обеспечению отвода воды из пористых слоев.

319

16.3. Расчет толщины дорожных одежд по предельному допустимому упругому прогибу

С точки зрения строительной механики дорожные одежды пред­ ставляют собой многослойные системы, состоящие из слоев разной

Передача давления, осадка и сжатие отдельных слоев многослой­ ных систем зависят от толщины отдельных слоев, соотношения их модулей упругости и коэффициентов Пуассона, возможности сме­ щения слоя по слою в процессе деформации. Для неоднородных нелинейно деформируемых материалов, к которым относятся кон­ структивные слои дорожных одежд (асфальтобетон, уплотненный щебень и т. п.), еще не найдено теоретических решений, позволяю­ щих рассчитать напряжения, передающиеся на грунтовое основа­ ние. Поэтому с некоторой долей условности при расчетах дорож­ ных одежд исходят из закономерностей распределения напряжений в многослойных системах, разработанных в теории упругости. При­ менимость этих схем к дорожным одеждам обосновывается тем, что при малых прогибах они работают как линейно деформируемые многослойные системы.

Задачи о напряженном состоянии многослойных систем реше­ ны лишь для некоторых частных случаев. Трудность задачи возрас­ тает с увеличением числа рассматриваемых слоев и поэтому боль­ шинство решений относится к двухслойным системам, у которых верхний слой имеет больший модуль упругости, чем нижний.

Решения обычно даются в виде таблиц напряжений и верти­ кальных перемещений двух- и трехслойных систем под действием вертикальной нагрузки, равномерно распределенной по круглой площадке (рис. 16.3). Таблицы дают значения смещений поверх­ ности полупространства и напряжений в слоях для разных соотно­ шений модулей упругости EI/E2, толщин слоев и диаметра площад­ ки, через которую передается нагрузка, h/D при разных коэффи­ циентах Пуассона.

Конструкции применяемых дорожных одежд весьма разнооб­ разны. Для обеспечения их равнопрочности и возможности сопос­ тавления разных вариантов по прочности их оценивают эквивалент­ ным модулем упругости — общим модулем упругости — модулем та­ кого однородного полупространства, которое при приложении рас­ четной нагрузки имеет такую же деформацию, как многослойная до­ рожная одежда (рис. 16.4).

Для двухслойной системы эквивалентный модуль упругости (об­ щий модуль упругости) выражается зависимостью

0,71 arctg

320