книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

гиб (модуль упругости) одежды, сопротивление сдвигу, сопротивление растяжению при изгибе [5,8]. Такой подход позволяет наиболее все­ сторонне учесть возможные причины разрушения дорожной одежды, увеличивая тем самым ее надежность.

Расчетные параметры следует принимать для периода наибольшего ослабления одежды (в большинстве районов страны весна, на край­ нем юге — зима).

Г л а в а 2

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

§ 1.4. Исследования, проводимые в СССР

Исследования в области расчета нежестких дорожных одежд, проводимые в нашей стране в последние годы, идут по пути дальней­ шего углубления их теоретической базы. Основная задача этих ис­ следований— наиболее полно изучить закономерности, которым под­ чиняется работа дорожных одежд в реальных условиях, и на основе этих закономерностей разработать методику расчета, позволяющую существенно повысить надежность проектируемых одежд в сочетании с их экономичностью. Указанная задача может быть успешно решена только в том случае, если в теоретические зависимости будут введены расчетные параметры, достаточно точно соответствующие тем конкрет­ ным условиям, для которых проектируют одежду. Поэтому все большее внимание уделяется выбору и обоснованию расчетных параметров на основе широких полевых и лабораторных исследований.

В общем виде задача по расчету дорожной одежды может быть сформулирована следующим образом. Надежность работы одежды будет обеспечена, если при наиболее неблагоприятных сочетаниях внешних нагрузок, разном времени их воздействия и заданной повто­ ряемости (интенсивности движения) с учетом возможной неоднород­ ности материалов дорожной одежды и грунта земляного полотна, при реально возможных колебаниях температуры и влажности не воз­ никнет остаточных деформаций, которые могут вызвать нарушение прочности одежды.

В таком общем виде решение задачи в настоящее время трудно осуществить. Объясняется это тем, что работа реальных дорожных одежд не полностью соответствует общеизвестным теориям многослой­ ных конструкций, разработанным как советскими учеными (Б. И. Ко­ ган, А. Г. Булавко, М. Б. Корсунский, Р. М. Рапопорт), так и зарубеж­ ными (см. §1.1—5). Например, некоторые материалы, особенно ниж­ них конструктивных слоев, не обладают сопротивлением изгибу и

распределение напряжений и деформаций в них не всегда подчи-

10

жением колесом тяжелого автомобиля (10 ООО кГ на ось) с измерением прогибов рычажным прогибомером МЛДИ — ЦНИЛ и в ряде слу­ чаев нивелиром повышенной точности.

В полевых и частично в лабораторных условиях выполнена боль­

следований в области работы одежд под действием кратковременной нагрузки (см. гл. 14). Значительное количество испытаний выполнено с применением установки динамического нагружения (см. § III.21). В результате получен ряд важных расчетных параметров. В процессе продолжения исследований в данном направлении необходимо учиты­ вать нагрузку не только от наиболее тяжелого колеса, но также влия­ ние остальных колес и всего движущегося потока транспортных еди­ ниц. Возникающие при движении потока автомобилей повторяющиеся поля напряжений и деформаций могут значительно менять характер усталости по сравнению с повторяющимся воздействием одиночных

[9]. При этом выполнен большой объем теоретических исследований и построены расчетные номограммы для определения максимальных активных напряжений сдвига для случаев совместного смещения кон­ структивных слоев в плоскости контакта (полное сцепление между слоями) и для случаев свободного смещения этих слоев (отсутствие сцепления). В результате экспериментальных работ были определены сдвиговые характеристики (угол внутреннего трения ср и сцепление с) различных грунтов при разной влажности, а также малосвязных

МАДИ, ХАДИ и других дорожных научно-исследовательских орга­ низациях [8]. На основе теоретических исследований получены рас­ четные номограммы, позволяющие определять фактические растяги­ вающие напряжения в различных конструктивных слоях дорожной одежды. Выполнены эксперименты, позволившие установить значе­ ния допустимых растягивающих напряжений для асфальтобетона и других материалов, содержащих органические и минеральные вяжу­ щие вещества. Для определения нормативных напряжений исследовано влияние повторности нагружения и возникающего при этом явления усталости.

В рамках рассмотренных выше направлений исследований следует

12

модуля упругости в соответствии с экспоненциальной зависимостью. Такой подход облегчает теоретическое решение многослойной систе­ мы и обеспечивает малое различие в модулях упругости смежных слоев, что улучшает условия их работы, особенно при несвязных ма­ териалах.

На кафедре изыскания и проектирования дорог ХАДИ разра­ ботан метод проектирования дорожных одежд, нижние слои которых имеют модуль упругости более высокий, чем слои, распо­ ложенные сверху. Подобные случаи могут иметь место в одеждах на скальных основаниях и иногда при усилении существующих одежд.

На основании рассмотренных выше исследований в Советском Сою­ зе за последние годы был предложен ряд методов конструирования и расчета нежестких дорожных одежд. Из них основные следующие:

1. Метод МАДИ (см. часть I I I ) . В качестве основного расчетного показателя предлагается нормативный прогиб (модуль упругости) под колесом расчетного автомобиля с нагрузкой на ось в соответствии с ГОСТ 9314—59 (10 ООО кГ для дорог I и I I технических категорий и 6000 кГ для остальных дорог). Значение прогиба зависит от заданной интенсивности движения.

2. Метод Ленинградского филиала Союздорнии (см. часть II) . Основными расчетными показателями являются: сопротивление сдвигу грунта земляного полотна и малосвязных конструктивных слоев дорожной одежды и предельное растягивающее напряжение при изгибе в монолитных слоях.

3. Метод ХАДИ (см. часть IV). Как основной расчетный показа­ тель также принят нормативный прогиб, но особое внимание обраще­ но на условия IV и V дорожно-климатических зон. В частности, под­ черкивается целесообразность повышения модуля упругости верх­ ней части земляного полотна путем улучшения водно-теплового ре­ жима, а также путем повышения степени уплотнения грунта. При конструировании рекомендован отмеченный выше метод плавного убывания модуля упругости слоев по экспоненциальной зависимости.

Во всех методах предусмотрен обязательный расчет слоев из

во внимание экономические и технологические требования, находя оптимальные решения.

Необходимо также отметить, что в НИИ Мосстроя В. Н. Кононо­ вым разработан метод расчета дорожных одежд, содержащих слои большой толщины из битумоминеральных смесей. Такие одежды пред­ назначены для работы в условиях особо тяжелого движения город­ ского транспорта.

В настоящее время проведена работа по обобщению указанных методов, уточнению расчетных параметров и созданию единого метода проектирования нежестких дорожных одежд, который позволит повысить их надежность и экономичность на основе более полного учета всех важнейших факторов, оказывающих воздействие на дорогу.

.13

§ 1.5. Исследования, проводимые за рубежом

За рубежом, так же как и в СССР, за последние годы все больше приходят к выводу, что в процессе проектирования дорожных одежд необходимо базироваться на теоретических исследованиях, проводи­ мых на базе современных научных достижений, и избегать чисто эм­ пирических зависимостей [5]. Одновременно считают, что больше внимания нужно уделять выбору и обоснованию расчетных параметров,

ные условия, в которой напряжения и деформации связаны линейной или нелинейной теорией упругости, а также в отдельных случаях зависимостями, учитывающими вязко-эластичные (реологические) свойства материалов;

б) надежные способы определения деформативных свойств ма­ териалов;

в) достоверные способы измерения предельных показателей ма­ териалов, т. е. наибольших напряжений и деформаций, которые они могут выдержать без разрушения при однократном и многократном воздействии нагрузки с учетом усталости. Другими словами, теоре­ тический метод расчета требует солидного экспериментального обос­ нования и длительных наблюдений, иначе может случиться, что проек­ тировщик будет трудиться над сложным расчетом по математической модели, не обеспечивающей надежную конструкцию одежды.

Математические модели для определения напряжений и деформа­ ций в двухслойных, а в последнее время и многослойных конструк­ циях, подчиняющихся линейной теории упругости, разработаны за рубежом, как и в СССР, многими авторами. При этом исходили из

в плоскости контакта без трения (Бурмистер, Джонс, Жефруа и Башеле, Кучера, Одемарк, Питти и др.). Однако нормативные пока­ затели прочности и деформативности материалов установлены еще далеко не всегда с достаточной точностью, особенно учитывая, что многие из них меняются в зависимости от температуры, влажности, продолжительности воздействия напряжений. Все это затрудняет практическое применение указанных показателей в математических моделях. Так, на второй Международной конференции по нежестким одеждам, проходившей в Анн-Арбор (США) в 1967 г. [22J, из 38 док­ ладов 12 были посвящены математическим моделям линейной теории упругости для слоев, освободно перемещающихся в плоскости кон­ такта, и слоев, работающих совместно, а также влиянию динамических воздействий и вязко-эластичных свойств материалов на особенности их работы в дорожной одежде. 20 докладов были связаны с вопросами деформативной способности дорожных материалов с учетом их реоло­ гических свойств, особенно материалов, обработанных органическими

14

Вяжущими. В докладах сообщалось об измерении как статических прогибов под штампами и под колесами на пневматических шинах, так и скорости распространения упругих поверхностных волн (волн Релея) для определения модулей упругости и коэффициентов Пуас­ сона покрытия, а также скорости распространения более глубоких волн, создаваемых при помощи тяжелых вибраторов, для определения модулей упругости основания.

В то время как число докладов по математическим моделям и деформативным свойствам материалов конструктивных слоев сравни­ тельно велико, вопросам аормативных характеристик посвящено всего пять или шесть сообщений. Из них четыре относятся к вопросам усталости при повторных воздействиях нагрузок на материалы, обработанные органическими вяжущими, в увязке с исследованиями по определению коэффициентов для перевода автомобилей с разной нагрузкой на ось к расчетному. Существенных изменений в норматив­ ные показатели прочности и деформативности грунтов и материаловразличных конструктивных слоев дорожных одежд не внесли зару­ бежные данные, опубликованные и на X I V Международном дорожном конгрессе, проходившем в 1971 г. в Праге [21].

В социалистических странах осуществляют значительный объем исследований по уточнению расчетных параметров дорожных одежд как путем проведения испытаний непосредственно на дорогах, так и на полигонах, кольцевых дорожках и в лабораториях. При этом широкое применение нашли испытания путем нагружения колесом автомобиля с измерением вертикальных деформаций рычажным прогибомером, сходным с балкой Бенкельмана (Венгрия, Польша, ГДР, Румыния, Чехословакия), динамические испытания путем сбрасы­ вания груза (Чехословакия). В Болгарии предложен оригинальный способ определения механических свойств грунтов, особенно обло­ мочных, путем динамического нагружения силой взрыва малого за­ ряда. В качестве регистрирующего прибора здесь применен сейс­ мограф.

В течение ряда лет исследователи в области расчета дорожных одежд, особенно за рубежом, большое внимание уделяли результатам обширного и весьма дорогостоящего эксперимента, проведенного в конце пятидесятых годов в штате Иллинойс (США) Американской ассоциацией дорожных специалистов (AASHO) [17]. Как известно из ранее опубликованных материалов, испытания были поставлены таким образом, что их не связывали никакими теоретическими пред­ посылками, могущими влиять на полученные выводы. Считалось, что теория должна быть основана на результатах чисто объективных экспериментов.

Таким способом были установлены следующие основные положения: 1. Толщина дорожной одежды должна быть тем больше, чем выше повторяемость воздействия автомобилей и чем больше нагрузка на

ось автомобиля.

2. Существует определенная численная зависимость между воз­ действиями автомобилей с разной нагрузкой на ось при одинаковом

удельном давлении от пневматика, дающая возможность установить

15

коэффициенты для приведения различных автомобилей к одному расчетному.

3. Важна не общая толщина дорожной одежды, а приведенная Я п Р , полученная по формуле

Коэффициенты alt а,, а3 и соотношение между ними различны в за­ висимости от того, что кладется в основу качества покрытия — сос­ тояние поверхности (трещины, выбоины) или определенный прогиб под колесом расчётного автомобиля.

Типичная конструкция испытуемой нежесткой дорожной одежды— асфальтобетонное покрытие на двуслойном основании из известня­ кового щебня и гравелистого песка. Иногда слой щебня заменяли слоем гравелистого песка, обработанного вяжущим.

В США в связи с опытами AASHO была разработана подробная методика определения качества дорожной одежды. Показатель качест­ ва (индекс psi) принимается следующий: 4 и 5—очень хорошая до­ рожная одежда; 3 и 4 — хорошая; 2 и 3 — средняя; 1 и 2 — посредст­ венная; 0 и 1 — плохая.

Для определения значения pSi на основании статистической обра­ ботки визуальных наблюдений для нежестких одежд пришли к сле­

Р J

где 2N — общая сумма прошед­ ших расчетных автомобилей; р и р — коэффициенты, зави­ сящие от осевой нагрузки и конструкции одежды.

16

10000

Число nfioxadaS осей., тыс.

Рис. 1.3. Общая требуемая приведенная толщина дорожной одежды в зависимо­ сти от числа прошедших автомобилей с разной нагрузкой на ось (указана на кри­

Имеющаяся разница в численных значениях коэффициентов объ­ ясняется разным удельным давлением от шины и отчасти различными принятыми конструкциями дорожных одежд.

Результаты проведенных AASHO исследований вначале про­ извели большое впечатление и привели к пересмотру многих сущест­

Однако по мере проведения новых исследований и подробного анализа результатов экспериментов AASHO выяснилось, что эти данные имеют, несмотря на большой размах экспериментов, много недостатков, из-за которых возникает ряд сомнений в возможности распространять выводы AASHO на другие климатические условия,

Рис. 1.4. Прогибы конструкции в зависимости от числа прохо­ дов и нагрузки на ось (цифры на кривых)

19