книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

вычисленный по формуле (11.60), не зависит от величины а и не выхо­ дит за пределы р, = 0,72—1. Из результатов опытов, поставленных А. С. Строгановым в НИИ оснований и подземных сооружений Гос­ строя СССР [61 ], следует, что для рыхлого песка р, -= 0,56, а для плот­ ного [х = 0,74.

„ Таким .образом, экспериментально полученные величины коэф­ фициентов Пуассона для песка по данным различных исследователей превышают р. = 0,5. К аналогичному выводу приводит обработка имею­ щихся экспериментальных данных для гравийных материалов, сталь­ ной дроби и стеклянных шариков.

Увеличение коэффициента Пуассона какого-либо слоя системы должно при расчетах привести к уменьшению величин напряжений в нижележащих слоях и подстилающем полупространстве. Так, при­ няв для «защемленного» щебеночного слоя модели, результаты испы­ таний которой показаны на рис. 11.56, коэффициент |х = 0,85 (вместо ранее принимавшегося р, = 0,25), получим, что это эквивалентно приблизительно четырехкратному увеличению его модуля упругости. При этом результаты расчетов (кривая 2 на рис. 11.56) хорошо согла­ суются с опытными данными.

Следовательно, дискретность структуры зернистых материалов может найти свое отражение при оценке напряженного состояния дорожных одежд, если основное свойство этих материалов — эффект расширяемости — будет учтено надлежащим образом при назначении расчетных значений коэффициентов Пуассона.

В качестве наиболее обоснованного критерия прочности слабосвяз­ ных зернистых материалов дорожных одежд следует рассматривать условие предельного равновесия при сдвиге. Дискретность структуры зернистых слабосвязных материалов может быть учтена при этом заменой обычно применяемого условия Кулона — Мора на условие прочности П. Роу, учитывающее дилатансию этих материалов.

Условие П. Роу (11.56) и (11.57) можно преобразовать с тем, чтобы учесть дилатансионные свойства зернистого материала с помощью коэффициента Пуассона, используемого и при вычислении величин напряжений.

141

Так как для осесимметричного напряженного состояния в точках, принадлежащих оси симметрии, е2 = е3 , то в соответствии с равенст­ вом (11.59) можно записать

Таким образом, в приводимых условиях прочности фигурирует угол внутреннего трения, определенный с учетом энергии, затрачен­ ной только собственно на внутреннее трение, а эффект дилатансии учитывается с помощью коэффициента \i, входящего также и в реше­ ние теории упругости, используемое при вычислении действующих напряжений. Это позволяет значительно упростить составление но­ мограмм для расчета конструкций по условию местного предельного равновесия.

Величины \х и (ff подлежат экспериментальному определению для различных слабосвязных дорожно-строительных материалов с по-, мощью приборов трехосного сжатия. Причем при нормировании рас­ четных значений \х придется учитывать также степень «защемления» материала в конструкции в зависимости от жесткости вышележащих конструктивных слоев, воздействия повторных нагрузок и др.

Таким образом, при разработке в должной степени теоретически обоснованного метода расчета дорожных одежд с промежуточными зернистыми слоями целесообразно:

1. Использовать для вычисления напряжений и перемещений имеющиеся решения теории упругости, полагая для материалов про­ межуточных зернистых слоев коэффициент Пуассона равным его ве­ личине, найденной из результатов испытаний на трехосное сжатие,

сучетом условий «защемления» его- в одежде.

2.Для проверки условия местного предельного равновесия при сдвиге в слоях из слабосвязных зернистых материалов использовать условие вида (11.56) либо (11.63).

Эти положения позволят учесть дискретные свойства зернистых материалов и отразить явление дилатансии в расчетных уравнениях.

В настоящее время, пока не создан в должной мере теоретически обоснованный метод расчета, рекомендуется рассчитывать промежу­ точные слои из зернистых материалов полуэмпирическим методом, изложенным в гл. 8. Этот метод хорошо согласуется с эксперименталь­ ными данными и опытом службы дорожных одежд.

142

§ 11.17. Общие принципы назначения расчетных характеристик

При проектировании дорожных одежд с капитальными и усовер­ шенствованными облегченными покрытиями, которые рассчитывают на работу в стадии обратимых деформаций, используют две группы расчетных характеристик — прочностные и деформационные. Де­ формационными характеристиками грунтов земляного полотна и всех видов материалов конструктивных слоев одежды являются модуль упругости Е и коэффициент Пуассона р. В качестве прочностных ха­ рактеристик используют:

для грунтов земляного полотна и слабосвязных материалов кон­ структивных слоев одежды — значения параметров, характеризую­ щих сопротивление сдвигу — сцепление с и величину угла внутрен­ него трения Ф;

для монолитных материалов на базе твердых органических, а также неорганических вяжущих, где имеются достаточно прочные и при том невосстанавливающиеся связи между частицами (асфальтовый бетон, материалы и грунты, укрепленные цементом, и т. п.) — сопротивле­ ние растяжению при изгибе Ra3r.

Все характеристики являются физически реальными величинами. Большинство из них возможно уже сейчас устанавливать путем не­ посредственных испытаний грунтов и материалов.

Расчетные характеристики грунтов и ряда материалов сильно за­ висят от их состояния в расчетный период — влажности, плотности, а также температуры (битумоминеральные материалы). За расчетный принимают период, когда прочность и жесткость грунта, а также одеж­ ды в целом достигают наименьших значений.

В отличие от имевшей место ранее практики нормирования рас­ четных характеристик следует считать целесообразным перейти к нор­ мированию характеристик для грунта и отдельных материалов в два этапа. Сначала устанавливают расчетное состояние грунта или мате­ риала в данных условиях, а затем при известном уже расчетном со­ стоянии назначают величины прочностных и деформационных расчет­ ных характеристик. Такой порядок позволяет значительно более обоснованно назначать необходимые при проектировании расчетные характеристики. Появляется возможность раздельно совершенство­ вать, с одной стороны, способы прогнозирования расчетного состояния грунта или материала в конкретных местных условиях, с другой — методы определения значений расчетных характеристик при данном расчетном состоянии.

Оказывается также возможным определять в каждом отдельном случае значения прочностных и деформационных характеристик путем испытания грунтов и материалов при известном расчетном их состоя­ нии. Последний способ следует считать на сегодняшний день наиболее

143

надежным, так как при этом имеется возможность учесть особенности свойств реальных грунтов и материалов.

Но непосредственные испытания сравнительно трудоемки, и пока оказывается Целесообразным использовать их главным образом на стадии рабочего проектирования, а также в условиях, сильно отли­ чающихся от широко распространенных.

При массовых расчетах приходится сейчас пользоваться табличны­ ми значениями прочностных и деформационных характеристик. Их получают в результате обобщения данных большого количества испы­ таний. Табличные значения прочностных характеристик представляют часто встречающиеся минимальные их значения в соответствующих условиях (дабы гарантировать необходимую надежность конструкций), а деформационных — часто встречающиеся средние их значения.

Табличные значения расчетных характеристик по мере накопления экспериментальных данных должны уточняться и дифференцироваться. Это один из путей дальнейшего повышения эффективности метода расчета.

§ 11.18. Расчетное состояние грунтов и материалов

Влажностный режим земляного полотна определяется очень боль­ шим числом факторов как природных, так и конструктивных и экс­ плуатационных. Состояние теории в этой области не позволяет пока, за отдельными лишь исключениями, исчерпывающе оценить влияние

расчетных влажностей приходится пока ориентироваться главным образом на результаты наблюдений на эксплуатируемых дорогах.

В табл. II.6 обобщены имеющиеся в настоящее время данные о зна­ чениях расчетных влажностей грунта в земляном полотне автомобиль­ ных дорог с усовершенствованными покрытиями:

Нужно особо подчеркнуть, что приводимые значения расчетных влажностей действительны лишь в том случае, если земляное полотно уплотнено,до требуемого состояния, имеет установленные техниче­ скими условиями размеры и предохранено от избыточного увлажнения. В иных условиях влажность грунта может достигать границы теку­ чести, а иногда даже превышать ее и нормированию пока не под­ дается .

Значения влажности грунтов в таблице следует рассматривать как наибольшие, часто встречающиеся в верхней части земляного полотна в данных климатических зонах и условиях увлажнения местности. Их следует в дальнейшем.корректировать с учетом местных особен­ ностей (микроклимат, свойства грунтов, условия водоотвода, спе­ циальные мероприятия по регулированию водного режима и др.). Основным источником необходимых для этого данных являются соз­ даваемые на дорогах стационарные станции и посты, оснащенные совре­ менным оборудованием для подробного изучения водно-теплового режима.

144

Расчетные влажности в таблице приведены при толщине дорожной одежды около 50 см. Когда одежда (стабильный слой) имеет большую толщину, влагонакопление в верхней части земляного полотна, свя­ занное с увеличением объема грунта при промерзании (пучением), происходит менее интенсивно благодаря большей пригрузке. В этом случае расчетную влажность (для условий, оконтуренных в таблице) устанавливают с помощью номограммы рис. 11.57.

145

приятным, расчетные влажности в восточных районах (ориен­ тировочно восточнее, рек Северная Двина и Волга) могут быть по­ нижены на 5—10%.

Определение расчетной температуры битумоминеральных мате­ риалов при проектировании дорожных одежд усложнено тем, что здесь нужны значения не абсолютных максимальных или минимальных температур слоя, как, например, при оценке теплоустойчивости ас­ фальтобетона или склонности его к трещинообразованию, а темпера­ тура покрытия в тот период, когда напряженное состояние всей дорож­ ной конструкции, включая и асфальтовый бетон, складывается наи­ более неблагоприятно. Обычно в центральных районах это период весеннего оттаивания; в южных районах — зимне-весенний период.

Прочностные и деформационные характеристики каменных, гра­ вийных, песчаных и других подобных материалов, отвечающих со­ временным техническим требованиям, сравнительно мало зависят от степени увлажнения и температуры в конструкции. В случаях когда используются недостаточно водостойкие материалы, это соответст­ вующим образом учитывается.

§ 11.19. Расчетные характеристики грунтов

Наиболее достоверные значения деформационных и прочностных характеристик грунтов земляного полотна можно получить путем испытания их в расчетный период непосредственно под одеждой либо путем испытания в лаборатории образцов с ненарушенным сложением, отобранных из земляного полотна при состоянии грунта, близком к расчетному. Однако проведение таких испытаний именно в расчет­ ный период весьма затруднительно, а применительно к новому строи­ тельству и просто невозможно. Поэтому в подавляющем большинстве испытания такого рода проводят в лаборатории на образцах, сформо­ ванных при расчетном состоянии. Сделанные сопоставления показы­ вают, что характеристики, полученные испытаниями грунта в кон­ струкции, в большинстве случаев не отличаются существенно от та­ ковых у переформованных образцов при том же состоянии [40]. Воз­ можные расхождения идут в запас прочности. Нужно иметь в виду также, что подавляющее протяжение современных автомобильных дорог проектируют в насыпях, поэтому грунт в переформованном об­ разце ближе к фактическому его состоянию в земляном полотне, во всяком случае в первые годы после постройки. Расчетную влажность грунтов при приготовлении образцов назначают, если нет более до­ стоверных данных непосредственных наблюдений, по табл. П.6. Плот­ ность принимают в соответствии с требованием СНиП для имеющихся условий.

Для определения модуля упругости образцы грунта приготавли­ вают в металлической форме, диаметр которой должен быть не менее четырех, а высота — трех диаметров штампа. Если расчетная влаж­ ность образца близка к оптимальной, образец приготавливают при

146

расчетной влажности и требуемой плотности. Когда расчетная влаж­ ность грунта значительно выше оптимальной, образцы приготавли­ вают, насыщая водой предварительно уплотненный до требуемой плот­ ности грунт [40].

Объемный вес скелета грунта рассчитывают в этом случае по

Испытания местным нагружением для определения модулей упру­ гости проводят обычно на рычажном прессе [69]. Нагрузки приклады­ вают ступенями с разгрузкой после каждой ступени. Каждую ступень нагрузки выдерживают до практически полного затухания деформации.

На основе полученных данных строят график зависимости обра­ тимой деформации от удельного давления. Как правило, эта зави­ симость близка к линейной. Модуль упругости вычисляют по формуле

где р — удельная нагрузка, под действием которой получена обра­ тимая деформация, равная 1; D — диаметр штампа; ц — коэф­ фициент Пуассона (многочисленные исследования показывают, что когда в грунте не возникают существенные пластические де­ формации, коэффициент Пуассона близок к 0,35); -^ — коэффициент, учитывающий жесткость штампа.

Во избежание больших ошибок не следует испытывать в лаборато­ рии малыми штампами песчаные и подобные слабосвязные грунты. Их следует испытывать в конструкции или на полигонах штампами диаметром 25—35 см.

Характеристики сопротивления грунтов и материалов сдвигу определяют на приборах трехосного сжатия (стабилометрах) либо на различного рода сдвижных приборах. Для каждого прибора имеется подробная методика подготовки и проведения испытания. Здесь при­ водятся лишь общие указания.

Образцы грунта готовят при расчетной влажности и плотности. В приборах трехосного сжатия чаще всего испытывают цилиндри­ ческие образцы с отношением диаметра к высоте около 1 : 2. Испыты­ вают не менее трех образцов каждого грунта или материала одинако­ вой влажности и плотности при различных величинах бокового давле­ ния аг . Все испытания проводят в условиях открытой системы, когда поровое пространство образца сообщается с атмосферой. Вертикаль­ ное нагружение целесообразно осуществлять непрерывно с равномер-

147

ной скоростью около 0,1—0,2 кГ/см* в минуту. В процессе нагружения через равные промежутки времени фиксируют вертикальные деформа­ ции образца.

На основании полученных данных вычисляют скорость деформиро­ вания образца при различных вертикальных нагрузках и изображают полученные зависимости графически (рис. 11.58). На начальной стадии скорость деформирования равномерно и сравнительно медленно воз­ растает. Но после того, как нагрузка достигает определенной величи­ ны (разной при различном боковом обжатии), скорость течения дефор­ маций резко увеличивается, наступает так называемое лавинное нару­ шение структуры по П. А. Ребиндеру. Этот момент (на рис. 11.58 обо­

На основании полученных данных строят диаграмму Мора и обыч­ ным порядком находят значение угла внутреннего трения и величину сцепления в грунте при данной влажности и плотности.

Испытания на сдвижных приборах плоского среза менее трудоемки, чем на приборах трехосного сжатия. Результаты же, полученные на приборах трехосного сжатия и сдвижных приборах, при тщательном проведении опытов не разнятся сколько-нибудь существенно.

Испытания грунта на приборах плоского среза чаще всего проводят на образцах цилиндрической формы диаметром не менее 7 см и высотой 3—3,5 см. При наличии в материале крупных частиц (до 40 мм) испы­ тывают образцы размером в плане до 30 см. Приготавливают образцы также при расчетной влажности и плотности. Чтобы получить на­ дежные данные, необходимо испытать не менее трех образцов при раз­ ных вертикальных нагрузках.

Испытания можно производить либо с постоянной скоростью деформирования, либо с постоянной скоростью нагружения. В обоих случаях строят графики по типу рис. 11.58. О наступлении сдвига судят по резкому перелому кривых на графиках.

Вертикапьные нагрузки, кГ/снг

а

а

Рис. 11.58. Зависимость ско­ рости деформирования от величины вертикальной на­ грузки для суглинистого грунта при W = 13,3% и 6=1,85 г/си3 :

а — точки резкого роста скорости деформирования;

148

Величины угла внутреннего трения и сцепления находят из урав­ нения Кулона т = с Ц- ontgq> путем графического построения.

На основе обобщения результатов испытаний в табл. II.7 при­ ведены деформативные и прочностные характеристики основных раз­ новидностей грунтов при разной расчетной влажности.

крупной супеси зависит от наличия в них цементирующих веществ и может при­ ниматься от 0,05 до 0,07 кГ/см2. При полном водонасыщении сцепление прини­ мается равным нулю.

2. Когда в супесчаном и суглинистом грунте содержатся средние и крупные песчаные фракции, значение угла внутреннего трения может достигать 30° и более и уточняется испытанием образцов.

3. Значения модулей упругости грунта с учетом некоторых мероприятий по регулированию водно-теплового режима земляного полотна и нижних слоев дорожной одежды, рекомендуемые Х А Д И , приведены в части I V (см. табл. IV . 5) .

§ I I . 20. Расчетные характеристики материалов

Монолитные материалы. Модуль упругости и прочность на растя­ жение при изгибе монолитных материалов можно определить по ре­ зультатам испытания образцов в виде цилиндров и балочек. Модуль упругости может быть определен также по данным послойного испы­ тания в расчетный период дорожных одежд на эксплуатируемых доро­ гах. Режим испытаний образцов и метод определения характеристик выбирают в зависимости от свойств материалов и условий их работы в одежде.

Материалы, модуль упругости и прочность которых практически не изменяются в широком диапазоне скоростей нагружения и продол­ жительности действия нагрузки, можно испытывать почти на всех

149

имеющихся в дорожных лабораториях прессах даже при сравнительно небольшой скорости деформирования (нагружения). К таким мате­ риалам относят грунты и другие обломочные материалы, укрепленные цементом и иными неорганическими вяжущими.

При определении их модуля упругости и прочности можно руко­ водствоваться действующими техническими указаниями [71]. Ци­ линдрические образцы испытывают на сжатие, а балочки — на изгиб.

Значения модуля упругости этих материалов вычисляют по фор­ мулам:

а) для цилиндрических образцов при испытании на сжатие

в процессе их эксплуатации. Опыт показывает, что в реальных усло­ виях ввиду неоднородности смесей и неравномерности их перемеши­ вания, несовершенства ухода в процессе твердения, а также много­ кратного воздействия природных факторов и временной нагрузки по­ степенно нарушаются жесткие структурные связи материала, обра­ зуются усадочные температурные и другие трещины, значительно сни­ жающие грузораспределяющую способность сдоев из таких материалов.

В связи с этим при установлении расчетного значения модуля упругости материалов, укрепленных неорганическими вяжущими, следует получаемые по формулам (11.66) и (11.67) величины умень­ шить в 4—5 раз. Этот вопрос в настоящее время изучается.

Расчетное сопротивление растяжению при изгибе с учетом устало­ стных явлений определяют по формуле

где Q — разрушающая нагрузка, кГ; Ку — коэффициент запаса на повторные воздействия нагрузок, учитывающий развитие устало­ стных явлений в материале (0,3—0,5).

Асфальтобетон и другие битумоминеральные материалы, модуль упругости и прочность которых в значительной мере зависят от ско­ рости нагружения, желательно испытывать при скоростях нагружения, соответствующих условиям работы материала в дорожной одежде.

150