книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

валось также двухслойное подстилающее полупространство с целью оценить влияние жесткости промежуточного слоя искусственного основания на напряженное состояние грунта земляного полотна.

На рис. 11.69 .показано распределение в подстилающем грунте безразмерных напряжений аг и ах в функции безразмерной глубины

z = j7' по оси действия" нагрузки, приложенной на стыке шарнирно

171

Что касается оснований из материалов, укрепленных цементом, то, как показали расчеты, напряжения в подстилающем грунте сни­ жаются здесь приблизительно на 20% на соответствующих глубинах по сравнению с имеющими место в конструкциях основаниями из зернистых материалов или материалов, обработанных органическими вяжущими.

При расчете толщины основания из укрепленных цементом мате­ риалов можно пользоваться данными рис. 11.69 для напряжений в под­ стилающем грунте, но с поправкой на жесткость слоя основания (см. ниже).

Для проверки результатов теоретических расчетов, а также для выяснения, в какой мере распространенное штыревое сочленение соответствует по условиям работы шарниру, в Ленинградском филиале Союздорнии былипроведены эксперименты на крупномасштабных моделях цементобетонных плит, уложенных на песчаный грунт [16].

типа, а также прогибы плит индикаторами часового типа. Полученные экспериментальные данные сопоставлялись с результатами теорети­ ческих расчетов. Сопоставление показало, что штыревое сочленение приблизительно на 30% менее эффективно по сравнению с идеальным шарниром. На данном этапе это учитывается при расчете прочности одежды путем введения соответствующего коэффициента [70].

§ 11.27. Методика расчета толщины основания под цементобетонными плитами

Располагая данными о напряжениях по глубине основания от контакта с цементобетонным покрытием, можно найти необходимую в тех или иных условиях толщину основания, отвечающую требова­ нию, чтобы в подстилающем одежду грунте не образовывались плас­ тические деформации под действием многократных нагрузок от обра­ щающихся по дороге автомобилей. Это условие по аналогии с тем, как оно использовано при расчете одежд нежесткого типа (см. гл. 6), выражается следующим образом:

где т а . м — максимальное активное (за вычетом удерживающих сил, обусловленных внутренним трением) напряжение сдвига от вре­ менной нагрузки; т а . в — то же, от постоянной нагрузки (собствен­ ный вес одежды); с г р — нормативное сцепление в грунте; К — ком­ плексный коэффициент, характеризующий условия работы кон­ струкции.

[72

Условие (11.83) позволяет найти глубину от контакта с цементобетонным покрытием, начиная с которой фактические активные напря­ жения сдвига не будут превосходить допускаемых. Эту глубину можно в качестве первого приближения принять за необходимую толщину искусственного основания из более прочных материалов.

Максимальное активное напряжение сдвига от временной нагруз­ ки т а м определяют несколько иначе, чем при расчете одежд нежест­ кого типа. Для нежестких одежд расчетными являются площадки, по которым не действуют касательные составляющие напряжения (осесимметричная задача). В жестких одеждах вследствие отсутствия симметрии при некоторых граничных условиях (в частности, при свободном примыкании) расчетными являются сечения, по которым, помимо нормальных составляющих тензора напряжений о, действуют также касательные напряжения т.

Поэтому формулы для определения активных напряжений сдвига

Эта формула справедлива при условии, что по оси действия на­ грузки, приложенной к двум полубесконечным плитам, касательные напряжения равны нулю вследствие симметрии в распределении кон­ тактных давлений относительно шарнирного края. Указанной форму­

мограммы для определения т а м (см. ниже).

Что касается величины активных напряжений сдвига от собствен­ ного веса т а . в , т о они определяются так же, как при расчете одежд нежесткого типа с помощью номограммы на рис. 11.44.

Коэффициент условий работы К определяют по формуле

(11.86)

где К' — обобщенный коэффициент, учитывающий повторяемость на­ грузок, отличие работы штыревого сочленения от шарнира, рас­ пределенность по площади внешней нагрузки, повышенную рас­ пределяющую способность оснований из укрепленных цементом материалов, а также влияние краев и углов плит [70] (табл. 11,12); ky — коэффициент, учитывающий неоднородность условий ра­ боты одежды жесткого типа по протяжению дороги; величину этого коэффициента по аналогии с одеждами нежесткого типа (см. гл. 8) принимают в зависимости от интенсивности движения по дороге в соответствии с табл. 11.13. При установлении численных значений kx учтен имеющийся отечественный и зарубежный опыт.

173

в грунте. Зная сцепление в грунте с г р , можно определить допускаемое

Рис. 11.70. Номограмма для определения активных напряжений сдвига при сво­ бодном примыкании плит в швах

174

Рис. 11.71. Номограмма для определения активных напряжений сдвига при шар­ нирном сопряжении плит в швах

условие (11.83) выполняется с обычной для инженерных расчетов точ­ ностью ± 5 % . Эта глубина, как указывалось, принимается за необ­ ходимую толщину основания.

Когда по расчету толщина основания получается достаточно боль­

Рис. 11.72. Номограмма для определения активных напряжений сдвига при сплошной плите

175

материалов, а нижнюю — из песка и других местных материалов. Толщину верхней, более прочной, части основания в этих случаях рассчитывают исходя из условия, чтобы в материале нижнего слоя ос­ нования не достигалось предельное равновесие по сдвигу. В распро­ страненных условиях, когда толщина основания не превышает 0,5 м, при расчетах, ввиду того что давление от цементобетонной плиты пере­ дается на основание по большой площади, возможно с достаточной для практических целей точностью принять модуль упругости на поверхности нижнего слоя основания таким же, как у грунта земля­ ного полотна. Поэтому можно пользоваться значением упругой ха­ рактеристики L , полученным по формуле (11.82). При вычислении в данном случае активных напряжений сдвига используют прочностные характеристики ср и с для материала нижнего слоя основания.

Если толщина основания около 2 м, то уже без сколько-нибудь ощутимой погрешности его можно принять за полупространство с мо­ дулем упругости Е В остальных случаях следует определять сред­ ний модуль упругости пропорционально фактической толщине ос­ нования.

Когда основание устраивают из материалов и грунтов, укреплен­ ных цементом, следует проверить его прочность по растягивающим напряжениям при изгибе. В этом случае напряжения в основании опре­ деляют по формулам для расчета слоистых плит в предположении, что изгибающие моменты в бетонном покрытии и в основании распре­ деляются пропорционально цилиндрическим жесткостям этих эле­ ментов одежды 1701.

При устройстве основания из щебеночных, гравийных и других материалов, а также из материалов, укрепленных органическими вяжущими, должно быть предъявлено обязательное требование, чтобы

вматериале основания не достигалось предельное равновесие по сдвигу. Однако на данном этапе еще не закончена разработка доста­ точно надежного метода проверки на сдвиг слабосвязных материалов

восновании под бетонными покрытиями вследствие недостаточной изученности весьма сложного напряженного состояния. Поэтому при выборе материалов для основания здесь приходится использовать данные опыта.

При тяжелом интенсивном движении, помимо оснований из мате­ риалов и грунтов, укрепленных цементом, хорошо сопротивляются нагрузкам основания из обработанных вязкими битумами и дегтями щебеночных и гравийных материалов. Вполне удовлетворительно ра­ ботают верхние слои оснований из щебеночных материалов, обладаю­ щих хорошей цементирующей способностью либо укрепленные мало-.. активными вяжущими, а также прочные шлаки.

Необработанные гравийные материалы и пески (исключая очень мелкие) могут быть использованы только при сравнительно легком движении, а также в нижних слоях основания.

В дальнейшем, когда будут преодолены указанные весьма значи­ тельные математические трудности, появится возможность создать обоснованный метод назначения требований к прочности материалов для верхнего слоя оснований.

176

2)Определяют величину

=6000 : 1452 =0,286 кГ/сж2 .

3)Выбирают материал для основания и по табл. 11.12 принимают значе­

Сопоставляя величины в графе 5 с величинами в графах 6 и 7, можно видеть,

бина составляет 22 см. Это и будут необходимые в том и другом случае толщины оснований.

Особенностью данного метода является, таким образом, возмож­ ность вести вариантное проектирование жестких дорожных одежд и путем технико-экономического сравнения равнопрочных вариантов находить оптимальное решение для данных условий.

Предлагаемый метод расчета жестких одежд основан на тех же принципиальных положениях, которые использованы при разработке метода расчета одежд с капитальными покрытиями нежесткого типа.

1 В настоящее время допустимо пользоваться расчетными характеристиками грунтов земляного полотна, рекомендуемыми для соответствующих условий при расчете одежд нежесткого типа (см. гл. 7).

177

Ё этом и другом случае в качестве основной расчетной схемы при­ нимается упругое слоистое полупространство, однако при расчете жестких одежд учтены также условия сопряжения плит в швах1 . Общими являются критерии прочности (предельное равновесие при сдвиге и напряжения при изгибе), а также расчетные характеристики материалов и грунтов. В настоящее время разрабатывается также ме­ тодика расчета жестких одежд по величине критического прогиба [20, 27].

Имеются, таким образом, все основания полагать, что в дальнейшем можно будет создать единый метод назначения размеров жестких и нежестких одежд.

Г л а в а 10

СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА С ПОВЕДЕНИЕМ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД В ЭКСПЛУАТАЦИИ

§ 11.29. Результаты обследования дорог

Наиболее надежным способом оценки эффективности того или иного метода расчета дорожных одежд является сопоставление ре­ зультатов расчета с поведением одежд в эксплуатации.

С целью накопления данных для такого сопоставления ведутся систематические обследования эксплуатируемых дорог начиная с 1958 г. Последние комплексные обследования ряда магистральных дорог проведены с 1967 по 1970 г. Обследованы дороги с асфальтобе­ тонными покрытия-ми, построенные по техническим условиям, близ­ ким к действующим в настоящее время, и находящиеся длительное время в эксплуатации. Объекты выбирали в разных климатических районах с тем, чтобы учесть влияние различных природных условий на службу дорожных одежд.

Были собраны данные, характеризующие существующую конструк­ цию одежды на отдельных участках дорог, грунтовые и гидрогеологи­ ческие условия, особенности строительства, сведения о составе и ин­ тенсивности движения, видах проведенных ремонтов и т. д.

В процессе обследования на всех характерных участках подробно оценивали состояние проезжей части, фиксировали характер и объем деформаций, измеряли ровность поверхности проезжей части. В со­ ответствии с этим участки делили на три группы:

1- я группа. Участки, на проезжей части которых отсутствовали какие-либо деформации, вызванные недостаточной прочностью кон­ струкции;

2- я группа. Участки, на которых имелись те или иные деформации, искажения поперечного профиля и т. п.;

3- я группа. Сильно деформированные либо разрушенные участки.

1 Полученные решения могут быть использованы для оценки концентрации напряжений также в нежестких одеждах при образовании в монолитных мате­ риалах температурных и других трещин.

178

На каждом обследуемом участке вскрывали одежду, измеряли толщины конструктивных слоев одежды и отбирали образцы материа­ лов и грунта земляного полотна для исследования в лаборатории.

Кроме того, проводили послойное испытание дорожной одежды, а также грунта земляного полотна местным нагружением.

На основании полученных при испытании данных вычислялись модули упругости материалов одежды и подстилающего грунта. Хо­ тя обследования приурочивали к весеннему периоду, однако не было гарантии, что год обследования является расчетным для каждого отдельного участка дороги. Поэтому при расчете прочности конструк­ ций полученные при послойном испытании значения модулей упруго­ сти использовали только для материалов, свойства которых сравни­ тельно мало зависят от влажности и температуры (щебеночные, гра­ вийные, песчаные, укрепленные неорганическим вяжущим и т. п). Расчетные характеристики остальных материалов, а также грунта земляного полотна принимали в соответствии с рекомендуемыми для имеющихся условий табличными их значениями.

Было подробно обследовано более 100 характерных участков дорог с асфальтобетонным покрытием во I I — IV дорожно-климатических зонах. Большая часть обследованных одежд (66% участков) имела основание из гранитного или известнякового щебня. На 20% участков основание было из укрепленных цементом материалов; 14% имели основание из гравийных материалов с добавками и без добавок щебня.

Нижний слой основания на большинстве участков сооружен из песка. На 21 % участков в нижний слой уложены местные малопрочные материалы (дресва, ракушка); на 14% участков нижний слой устроен из укрепленного жидким битумом грунта.

Земляное полотно в большинстве случаев из суглинистых и супес­ чаных пылеватых грунтов. Лишь на 16% участков земляное полотно отсыпано из песков.

За расчетную интенсивность движения на дорогах с двухполос­ ной проезжей частью принимали наибольшее количество тяжелых ав­ томобилей и автобусов, проходивших по участку в расчетный период в сутки в одном направлении (по данным натурных наблюдений за последние годы). Поскольку на обследованных дорогах обращались автомобили большой грузоподъемности, в качестве расчетного при­

чены деформации или разрушения, связанные с недостаточной проч­ ностью конструкции (группы 2-я и 3-я — см. выше), какой-либо один из коэффициентов прочности по сдвигу или растяжению при изгибе был меньше 1. В то же время двадцать участков из двадцати одного, все коэффициенты прочности которых были выше 1, не имели

179

Рис. 11.73. Вероятность эксплуатаци­ онного состояния дорожной одежды в зависимости от расчетного коэф­ фициента прочности. На горизон­ тальной оси отложен процент проч­ ных участков с данным (см. кривую)

коэффициентом прочности Хпр

деформаций и при обследовании были отнесены к 1-й группе. На участ­

следования кривая вероятности состояния дорожной одежды в зависи­ мости от величины минимального получаемого расчетом коэффициента прочности. Можно видеть, что на отдельных обследованных участках даже при коэффициенте прочности 0,4 не было зафиксировано дефор­ маций, а при коэффициенте прочности 0,7 удовлетворительно рабо­ тала приблизительно половина участков.

Поскольку вновь сооружаемые одежды капитального типа будут проектировать с коэффициентом прочности не ниже 1, очевидно, в ряде случаев толщина одежды окажется несколько завышенной. Объясняет­ ся это тем, что далеко еще не все из очень большого числа факторов, определяющих особенности службы дорожной одежды под действием движения и природных условий, сегодня исчерпывающе раскрыты. Для того чтобы гарантировать достаточную надежность проектных решений, мы еще вынуждены предусматривать в расчетных зависимо­ стях определенный запас, который в тех или иных местных условиях может оказаться излишним. Исходя из этих же соображений при уста­ новлении расчетных характеристик грунтов и материалов приходится ориентироваться на наинизшие из часто встречающихся в данных условиях их значения. В результате создается излишний, ненужный в отдельных случаях запас прочности, который может быть назван запасом па незнание.

По мере углубления наших знаний, раскрытия ряда физических закономерностей, а также дальнейшего уточнения и дифференциации расчетных характеристик этот запас будет снижаться.

Но, как показывают сравнительные расчеты, и сейчас этот излиш­ ний запас прочности конструкций, рассчитываемых по сдвигу и растя­ жению при изгибе, существенно меньше, чем при расчете другими известными методами.

180