книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

больших пределах в зависимости от температуры и продолжительно­ сти приложения нагрузки и трудно поддаются проверке. Поэтому на данном этапе рекомендуется использовать зависимость между суточ­ ным или суммарным движением расчетных автомобилей и допустимым

с различными типами покрытий в разных климатических районах как

симость допустимого прогиба (обычно в весенний период, иногда осен­ ний) от общего числа проходов расчетного автомобиля за период службы покрытия.

Нами, так же как в Венгрии и ГДР, предлагается учитывать суточ­ ную интенсивность движения автомобилей, приведенных к расчетным, на последний год периода службы покрытия. Делается это по двум соображениям:

1.Усталостные явления наблюдаются в периоды наибольшего размягчения земляного полотна, которые продолжаются сравнитель­ но недолго. В остальное время конструкция отдыхает. Трудно предпо­ ложить, что усталостные явления будут наращиваться, скажем, от весны к весне. Однако, как показывают последние наблюдения, кон­ струкция обладает некоторой «памятью» к предшествовавшим воздей­ ствиям.

2.Фактические наблюдения на дорогах всегда относятся к какомуто определенному году службы покрытия и определенной интенсив­ ности движения при условии, конечно, что в течение последних двухтрех лет не проводилось ремонта покрытия (период этот необходим, так как не каждый год является расчетным с точки зрения наиболь­ шего прогиба).

Опыты AASHO проводились для круглогодичного и одинакового движения, и предельные прогибы даются для суммарного движения.

191

Сопоставление данных AASHO с результатами наших исследований показывает, что рекомендации МАДИ примерно соответствуют трех­ летней повторной предельной интенсивности движения, что является, как нам представляется, разумным запасом, прочности, учитывая неоднородность конструкции по длине дороги.

Исследования, проведенные в МАДИ, позволяют рекомендовать в качестве нормативной следующую степень деформирования поверх­ ности покрытий в конце их службы: 15% — для капитальных покры­ тий, 36 — для усовершенствованных облегченных и 55% — для пере­ ходных покрытий. В этих условиях максимально возможные скоро­ сти движения тяжелых грузовых автомобилей в среднем соответствен­ но составляют 55, 35 и 25 км/ч (рис. I I I . 1).

где р — удельное давление на дорожное покрытие от расчетного ав­ томобиля, кГ/см2; D диаметр круга, равновеликого следу коле­ са, см; I — прогиб, см; Ею — модуль Юнга, кГ/см2; а — коэф­ фициент Пуассона (0,3—0,35).

^ Суммарное количество автомобилей за Весь срок служВы, приведенноек нагрузке н-р

агрузки на ось автомобиля 10 Т (интенсивность движения указана на

это неоднородностью грунта, колебаниями влажности, неодинаковым уплотнением слоев и т. п.

Кроме того, в общем случае нормативный прогиб (модуль упруго­ сти) должен меняться в зависимости от толщины различных слоев до­ рожной одежды и соотношения их модулей упругости. Для двухслой­ ной конструкции прогиб I под нагрузкой от колеса может быть выражен следующей зависимостью:

где h —• толщина верхнего слоя дорожной одежды, см; D — диаметр

6)Суммарноекаличестбо•стРтомоВилейзабесб срок служо~ь1,п11и6еденнаек нагрузкам

где Q — нагрузка на колесо, кГ; р — удельное давление от колеса,

кГ/см2.

Исследования показывают, что для распространенных на прак­ тике изменений толщины слоев и соотношений их модулей упру­ гости в нежестких одеждах величина нормативного прогиба (модуля упругости) меняется несущественно и этими изменениями на данном этапе можно пренебречь. Нормативные значения модулей упругости были получены по результатам статистической обработки материалов многократных испытаний на коротких однородных участках дорог (см. гл. 12). На основании такой статистической обработки построены графики, приведенные на рис. I I I . 3.

§Ш.2. Приведение фактического движения

красчетной нагрузке

Вметодике проектирования нежестких дорожных одежд по вели­

чине нормативного упругого прогиба, так же как и в методе Союздор­

194

Коэффициенты для вычисления по заданному числу автомобилей определенного типа соответствующего им числа расчетных автомо­ билей нами установлены из условия одинакового прогиба от тех и дру­ гих автомобилей. При этом следует имет в виду, что, как показывают исследования, прогиб зависит от нагрузки на ось и от диаметра круга, равновеликого передающей эту нагрузку площади. Объясняется это тем, что чем больше диаметр, тем глубже проникает одинаковое дав­ ление. Так как площадь F, передающая нагрузку Q, связана с этой на-

грузкой через величину удельного давления рЩ = рг = р - j — I ,

то обычно считают, что прогиб зависит от произведения pD. В опытах AASHO давление в шинах, связанное с давлением на покрытие, было одинаковым, поэтому роль произведения pD четко не проявилась.

В более ранних наших работах [14, 15] были установлены вполне определенные приближенные зависимости между общиммодулем де­ формации поверхности двухслойной конструкции и модулями Ев и Ен.

Совершенно аналогичная зависимость получается и при рассмот­ рении номограммы, построенной по данным Б. И. Когана для упругой модели двухслойного полупространства. Действительно, по номо­ грамме (см. рис. I I . I I )

•^общ — + В ~ Ев>

где В — коэффициент, равный 0,25—0,30.

Тогда с учетом зависимостей I I 1.1 и I I 1.2 легко доказать, что ко­ эффициенты запаса дорожной одежды при движении разных автомо­

крытий капитального типа с некоторым приближением можно принять:

в более узких пределах, достаточно близких к практическим случаям, значения N2 могут быть приняты одинаковыми.

В табл. I I 1.2 даны величины коэффициентов для приведения числа автомобилей с различной нагрузкой на ось к числу расчетных автомо-

*По опытам AASHO.

** Не более 25—30 автомобилей в сутки.

билей. Для сопоставления в таблицу внесен ряд расчетных нагрузок, применяемых в СССР, и некоторые расчетные нагрузки, распростра­ ненные за рубежом.

Разница в значениях коэффициентов, на которые надо множить фактическое количество проходящих автомобилей, в основном заклю­

суммарного количества автомобилей, которые должны пройти за пол­ ный срок службы 2 А/. Если на дороге движение не возрастает или растет незначительно, рекомендуется использовать в расчете величину суммарного движения.

По нашим наблюдениям суммарное движение за 15 лет службы по­ крытия может быть принято равным (4000—5000) N, где N—наиболь­ шее суточное движение в расчетный период (весенний). Такие зависи­ мости имеются и по зарубежным данным.

§ I I 1.3. Основные положения теории расчета

по величине нормативного прогиба

Нормативный прогиб может зависеть от двух факторов: 1) от пре­ дельного относительного удлинения верхних связанных слоев (покры­ тия или верхнего слоя основания) и 2) от наступления пластической

196

где е п р — предельное относительное удлинение покрытия.

Зависимости II 1.5 и II 1.6 справедливы при двухслойных конструк­ циях. При этом формула I I I . 5 предназначена для слоев, обладающих сопротивлением растяжению. Однако обе формулы могут быть приме­ нены и для обычных многослойных конструкций при их приведении к двухслойным.

Для проверки на изгиб покрытия или покрытия и верхнего слоя основания в данный момент удобнее пользоваться не предельно до­ пустимыми прогибами и относительными удлинениями, а изгибающими напряжениями внизу слоев, обладающих сопротивлением изгибу,

197

для которых в настоящее время даны графики Б. И. Когана и М. Б. Корсунского [21,22], приведенные на рис. III . 5 . Из этого рисунка видно, насколько важно для понижения напряжений в покрытии обеспечить при любых отношениях Ев/Ея хорошее сцепление его с основанием, особенно при толщине покрытия до 0,25 D, т. е. 8—9 см. Если речь идет о напряжении в верхнем слое основания на границе с нижележа­ щими слоями при условии, что верхний слой сопротивляется изгибу (обработан вяжущим), то необходимо или присоединить к слою осно­ вания эквивалентную ему по жесткости толщину покрытия (см. гл. 13), или воспользоваться методом расчета М. Б. Корсунского [21].

Предельно допустимый прогиб под колесом расчетного автомобиля, обусловленный вторым фактором—возникновением пластической де­ формации в грунте земляного полотна, как видно из приведенных выше данных ГДР и Франции, а также из формул (III.3) и (III.4), зависит от жесткости и толщины слоя основания. Поэтому можно назначать конструкцию исходя из прочности грунта земляного полотна, нара­ щивая на него слои таким образом, чтобы напряжения на грунт и на промежуточные слои не превосходили каких-либо предельно допускае­

мых с учетом перегрузок, условий работы, неоднородности материалов. При этом верх­ ние, более жесткие, слои проверяют и на из­ гиб с учетом усталости.

198

Опыт показывает, что разные.значения предельных деформаций даются в основном не для разных грунтов, а для различных покрытий и верхних слоев основания. Объясняется это тем, что ограничение об­ щей деформации диктуется не одним переходом деформации грунтов из упругой стадии в пластическую, а также и излишним прогибом верх­ них слоев, вызывающим разрушение от изгиба.

Дело не только в самой пластической деформации, а в том, что при ее накоплении под воздействием повторных нагрузок неминуемо раз­ рушение покрытия. При более жестких-грунтах и материалах нижних слоев (пески, гравелистые материалы, грунты, укрепленные мине­ ральным вяжущим) верхние более жесткие слои при сравнительно низ­

высоком соотношении Ев/Ен упругий прогиб и напряжения от изгиба возрастают и могут превзойти допускаемые значения. Поэтому при та­ ких грунтах нельзя допускать деформации исходя только из отсут­ ствия сдвигов, вызывающих пластические деформации, а нужно учи­ тывать также прочность верхних слоев на изгиб. Это позволяет осно­ вываться в расчете на величинах прогибов, полученных эксперимен­ тально, в то время как сопротивления сдвигу в полевых условиях из­ мерить трудно.

На рис. 1.1 показаны схемы напряжений, которые возникают в мно­ гослойной конструкции любого типа, т. е. жесткого и нежесткого до предельного ее равновесия.

На нижней поверхности слоев возникают наибольшие растягиваю­ щие усилия, а вверху максимальные сдвигающие. Если, например, второй слой состоит из дискретных (несвязных) материалов, облада­ ющих лишь зацеплением, то он практически не способен воспринимать растягивающие напряжения и распределение напряжений происходит аналогично таковому в однородном полупространстве и, следовательно, деформации возрастут. С другой стороны, если грунт земляного полот­ на очень податлив по сравнению с нижним слоем основания (соотно­ шение их модулей составляет 8—10), а толщина слоя основания не­ значительна, возможно нарушение устойчивости нижнего слоя осно­ вания и еще большие концентрации напряжений и повышение дефор­ маций. Оба случая приводят к уменьшению общего модуля упругости системы.

сопротивлением изгибу; однако практически это применимо без всяких оговорок только к цементобетонным покрытиям и основаниям, у ко­ торых сопротивление изгибу почти не изменяется от изменения тем­ пературы и характера приложения нагрузок. Применительно к мате­ риалам, обработанным органическими вяжущими, у которых сопро­ тивление изгибу в значительной степени зависит от температуры, продолжительности приложения нагрузки, а также от возрастающих с повышением пластичности усталостных свойств, это положение тре­ бует большой осторожности. Сейчас уже можно считать доказанным,

199

что коэффициент уменьшения длительной прочности пропорционален mlgiV, где т — коэффициент пластичности, а N — суточная интен­ сивность движения автомобилей, приведенных к расчетным. Для ос­ нований, укрепленных минеральными вяжущими, температура и про­ должительность воздействия практического влияния не оказывают, но усталостные явления и прочность сильно зависят от морозоустой­ чивости и водонасыщения.

В настоящее время в теории упругости нет удобных решений для определения напряжений и деформаций в четырехслойной системе. Приходится приводить ее к трехслойной системе или последовательно пользоваться каждыми двумя слоями. Необходимо выяснить, какой метод для этого более удобен и точен и как учесть, что некоторые слои практически не сопротивляются изгибу.

Сопоставим различные возможные решения. Рассмотрим методы Союздорнии применительно к упругому двухслойному полупростран­ ству. В этом методе сделано предположение, что с точки зрения рас­ пределения напряжений двухслойную систему можно заменить одно­ слойной, но с заменой толщины верхнего слоя hB на некоторую экви­

Если система работает в упругой стадии, то Ъ = 3. Тогда распре­ деление напряжений в двухслойной системе подчиняется закону Буссинеска для однородного массива.

напряжений.

В формуле (III.8)

где z — глубина от поверхности покрытия.

Дальнейший анализ показывает, что в пределах упругих деформаций надо принимать а = 2,5. В этом случае формула ( I I 1.8) в большей степе­ ни совпадает с более поздними и более точными решениями для двух­ слойной упругой системы, полученными Б. И. Коганом, М. Б. Кор­ сунский, Бурмистером и др. Многочисленные опыты в Ленфилиале

200