книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

По графику на рис. 11.11 = 0,176, следовательно, Е" = 8000 • 0,175

Результаты расчета последовательно записываем в табл. 111.20.

231

Общий модуль упругости £0 бщ> согласно графику (см. рис. III.За), соответ­ ствует движению 300 автомобилей в сутки с нагрузкой на ось в 10 Г (Н-Р).

§ III.13. Сопоставление результатов расчета различными методами

На основании анализа описанных выше способов проектирования нежестких дорожных покрытий в прилагаемой табл. III.21 дается со­ поставление результатов расчета различными методами для частных случаев суммарного движения за срок службы по одной полосе 107, 106 и 105 расчетных автомобилей с нагрузкой на ось 10 Т. Для методов, применяемых во Франции (расчетная нагрузка 13 Г на ось) и в США (расчетная нагрузка 8,2 Т на ось), сделано соответствующее приве­ дение к нагрузке 10 Г на ось.

232

* Меньшие значения при основаниях, обработанных на всю толщину орга­ ническим вяжущим .

В табл. I I I . 24 в числителе дана толщина покрытия и верхнего слоя основания, содержащих битум (асфальтобетон, битумоминеральные смеси и т. п.), а в знаменателе — общая толщина всех слоев, включая покрытие и слои основания как укрепленные цементом или грану­ лированным шлаком, так и щебеночные, гравийные и песчаные. Мо­ дуль упругости основания принят равным 300—320 кГ/см2, что соот­ ветствует показателю CBR, равному примерно 3.

Разница в нормативах, неизбежная для расчета по различным ме­ тодам, вносит некоторый элемент приближенности в полученные циф­ ры, но все же позволяет отметить, что в общем во всех методах просле­ живается стремление к применению в верхней части одежды слоев до­ статочной толщины из битумоминеральных смесей и удаление от по­ верхности слоев, укрепленных минеральными вяжущими. Общая тол­ щина для одинаковых грунтовых условий отличается сравнительно мало. Для верхних слоев с органическими вяжущими толщина по ме­ тодам МАДИ и Ленинградского филиала Союздорнии несколько ниже, чем во многих зарубежных методах. Это свидетельствует о нецелесооб­ разности стремления к снижению толщины этих слоев и одновременно

233

показывает, насколько имеет смысл их дальнейшее повышение. Здесь уместно напомнить лишний раз, что толщина этих слоев зависит от относительного удлинения и сопротивления изгибу при низких тем­ пературах, а также интенсивности движения, связанной с явлением усталости в указанных слоях. Определенное повышение толщины верх­ них слоев нежесткой дорожной одежды, содержащих органическое вя'- жущее, по сравнению с ранее применяемыми толщинами в настоящее время в связи с ростом движения как по интенсивности, так и по на­ грузкам на ось, видимо, является объективной необходимостью.

Г л а в а 14

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

СУЧЕТОМ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ НАГРУЗКИ

§III. 14. Особенности воздействия движущегося автомобиля

Всякая дорожная одежда в условиях фактической ее работы, как известно, подвергается кратковременному воздействию колес движу­ щихся автомобилей. Многочисленные исследования [2, 5, 9, 19, 25, 27, 31, 32, 33, 38] и изложенный выше материал (см. часть II) показы­ вают, что на дорожных одеждах, обладающих допустимой, с точки зрения нормального движения, ровностью имеются следующие явления:

1. Вертикальные деформации под воздействием движущегося ав­ томобиля меньше, чем при его статическом действии.

2.Напряжения по глубине в дорожной одежде и в грунте земляного полотна от действия движущегося автомобиля затухают быстрее, чем от стоящего.

3.Соотношения между вертикальными деформациями и соотно­ шения между напряжениями на данной глубине при действии движу­ щегося и стоящего автомобиля зависят от скорости движения. При скорости выше 25—30 км/ч указанные соотношения обычно стабили­ зируются. На покрытии со значительными неровностями при увели­ чении скорости движения более 50 км/ч иногда наблюдается некоторое возрастание вертикальных деформаций и напряжений, так как в дан­ ном случае сказывается воздействие ударов, заметно увеличивающееся при высоких скоростях. На правильно спроектированной одежде при надлежащем ее содержании неровности невелики и возникающие при движении автомобиля динамические перегрузки лежат в пределах 10—12%. Таким образом, дорожные одежды при кратковременном действии движущейся нагрузки ведут себя как более жесткие, чем при длительном нагружении. Объясняется это тем, что практически все дорожно-строительные материалы и грунты земляного полотна, обладая вязкими свойствами, способны увеличивать во времени свою дефор­ мацию под воздействием постоянного усилия. Поэтому при кратко­ временном нагружении полная величина деформации не успевает осу­ ществиться.

234

на реальных дорогах с прочной одеждой. При этом упругое восстанов­ ление после снятия нагрузки протекает также во времени по затухаю­ щей кривой. Длительность этого процесса при отсутствии остаточных (необратимых) деформаций обычно достаточно близка к продолжитель­ ности нагр ужения.

Определенное влияние при кратковременном нагружений могут также иметь силы инерции, зависящие от массы деформируемого объема одежды и возникающих ускорений. В этом случае необходимо решать динамическую задачу.

Современные нежесткие дорожные одежды, особенно усовершенст­ вованные, со слоями, содержащими органические и минеральные вя­ жущие материалы, можно с достаточной точностью рассматривать как плиту на упругом основании.

Расчету таких плит и балок на воздействие динамических нагрузок посвящены работы В. Ф. Бабкова, А. Г. Булавко, В. А. Киселева, Б. Г. Коренева, М. Б. Корсунского, И. А. Медникова, Г. И. Глушкова, А. П. Синицина [3, 7, 16, 18, 20, 26, 29, 30].

Решение задачи динамического расчета дорожных одежд пред­ ставляет собой значительную трудность, так как вызывает необходи­ мость интегрирования неоднородного дифференциального уравнения в частных производных. В общем случае решаемая система имеет бес­ конечное число степеней свободы.

Г. И. Глушков [29] предложил для цементобетонных покрытий приближенное решение динамической задачи с одной степенью свободы. При этом дифференциальное уравнение движения имеет вид:

235

где М — приведенная масса покрытия с присоединенной массой ос-

ные экспериментов, выполненных на кафедре строительства и эксплу­ атации дорог МАДИ, позволяют рекомендовать в первом приближе­ нии для определения вертикальной деформации / д нежесткой одежды от кратковременной нагрузки с учетом возникающих при этом собст­ венных колебаний следующую формулу:

где lCT — вертикальная деформация при статическом действии нагруз­ ки, см; а — коэффициент, учитывающий неполную деформацию одежды при кратковременной нагрузке; q — частота собственных колебаний системы дорожная одежда — грунт земляного полотна,

Величина приведенной массы М получена Г. И. Глушковым [291 из условия равенства кинетической энергии покрытия с присоединен­ ной массой нижележащих слоев кинетической энергии сосредоточен­ ной массы. Иными словами, кинетическая энергия, возникающая при деформации слоистого тела, приводится к кинетической энергии точки

Анализ формул (Ш.ЗЗ), (III.34) и механических свойств современ­ ных дорожных одежд позволяет сделать вывод о возможности приме­ нить эти формулы для нежестких дорожных одежд, имеющих связные •верхние слои (асфальтобетон, щебень или гравий, обработанные ор­ ганическими вяжущими, слои, укрепленные цементом). При этом ве-

236

личины (хд и h следует относить к связным слоям, обладающим эффек­ том плиты, а величины \i0 и h0 — к несвязным слоям основания и грун­ ту земляного полотна. Таким образом, дорожная одежда с некоторым допущением рассматривается как двухслойная система. Это допуще­ ние можно считать приемлемым, так как такое важное в данном случае свойство, как способность распределять напряжения у связных и не­ связных слоев, существенно различно, а в пределах каждого из этих видов слоев достаточно близко.

Исследования показывают, что величина R достаточно близка к ча­ сти радиуса чаши прогиба дорожной одежды, получаемой эксперимен­ тально под расчетной нагрузкой, в пределах которой возникает преоб­ ладающая доля общей вертикальной деформации (75—80%).

Исходя из этого можно полагать, что именно в пределах площади ограниченной R, система дорожная одежда — грунт земляного полотна эффективно вовлекается в работу под нагрузкой и в этих пределах могут существенно проявляться инерционные свойства.

Численное значение глубины обжимаемого слоя h0 зависит от свойств и состояния грунта, а также распределяющей способности верхних слоев.

Для нежестких дорожных одежд, по данным исследований, прове­ денных на кафедре строительства и эксплуатации дорог МАДИ (ра­ боты аспиранта Н. Н. Миронова), указанная глубина достигает 2— 2,5 м и более. Однако следует иметь в виду, что в нижних слоях дефор­ мации весьма невелики по сравнению с общей деформацией и, по-ви­ димому, роль этих слоев в проявлении инерционных свойств очень мала. В связи с этим ориентировочно можно принять величину h0 в пределах 1—2 м.

Уравнение (111.31) получено исходя из следующих предположений: 1. Основание дорожной одежды, как и вся одежда, работает в уп­ ругой стадии, и зависимость между напряжением и деформацией яв­ ляется линейной. Это допущение для одежд с усовершенствованными

покрытиями практически соответствует действительности.

2. Переменная нагрузка Q(t) от движущихся колес автомобилей представлена в виде неподвижной силы, величина которой меняется

тия, сек.

Настоящее предположение по данным измерений вертикальных де­ формаций и напряжений под движущимися автомобилями также до­ статочно близко к реальной действительности.

237

3. Наибольшая вертикальная деформация одежды возникает в период действия на нее нагрузки (mt ^ я).

В принципе возможен случай, когда наи­ большая вертикальная деформация под дейст­ вием собственных колебаний возникает после снятия нагрузки (mt > я). В этом случае формула (III.31) приобретает более сложный вид. Однако в реальных условиях, как по­ казывают исследования, деформации после прекращения действия кратковременной на­ грузки не превышают их величины в период нагружения. В связи с этим применение фор­ мулы (III.31) с данной точки зрения право­

мерно, так как нас интересует в первую очередь период действия на­ грузки.

Формула ( I I 1.31) не учитывает затухания собственных колебаний вследствие потери энергии на преодоление вязких и других сопротив­

Очень важно установить роль собственных колебаний в общей де­ формации дорожной одежды. Для этого необходимо проанализировать формулу (III.31). Эту формулу можно представить в следующем виде:

(111.37)

Вычисления показывают, что для наиболее распространенных кон­ струкций нежестких дорожных одежд частота собственных колебаний q может лежать в пределах 150 я — 300 я, а частота вынужденных коле-

238

баний т, согласно формуле (III.36), для вероятных скоростей движе­ ния тяжелых автомобилей меняется от 3 я до 10 л. Что касается уста­ новки динамического нагружения, служащей для испытания дорож­ ных одежд кратковременным усилием (см. § III.21), то здесь величина т достигает (30 -f- 40) п.

Измерения вертикальных деформаций нежестких дорожных одежд при проезде автомобилей также не свидетельствуют о возникновении сколько-нибудь существенных собственных колебаний.

Таким образом, наличием собственных колебаний нежесткой дорож­ ной одежды от автомобильной нагрузки с достаточной точностью можно пренебречь.

Что касается установки динамического нагружения, то здесь, как видно из табл. III.22, могут возникать значительные собственные ко­ лебания. Это подтверждают и эксперименты. Однако в случае записи вертикальных деформаций вибрографом ВР-1, который является ос­ новным прибором, применяемым для этой цели (см. § III.21), фикси­ руется лишь некоторая средняя линия прогиба, соответствующая /Сд . Но значения Кд для установки динамического нагружения очень близ­ ки к величинам / С д а х при проезде автомобиля, что показывает на воз­ можность применения с этой точки зрения установки для испытания дорожных одежд.

Приведенная выше формула (III.37) не полностью учитывает реоло­ гические свойства материалов дорожной одежды. С этими свойствами связано явление затухания собственных колебаний, которое хорошо описывает зависимость:

где nz — коэффициент затухания колебаний, — .

239

Исследования показывают, что для нежестких дорожных одежд величина nz может меняться в пределах от 10 до 50 ~ . Большие зна­ чения nz соответствуют одеждам, содержащим слои с высокими демп­

фирующими свойствами.

Относительная вертикальная деформация под нагрузкой Я может быть представлена как сумма упруго-мгновенной относительной де­ формации Хм и относительной деформации, развивающейся во времени К П9, 22]:

Исследования, проведенные в МАДИ, показали, что эта зависимость сохраняется и при повторном нагружении, когда грунт уже начи­ нает работать в упругой стадии. Следует отметить, что при повтор­ ном нагружении возрастает величина т]0, т. е. повышаются вязкие свой­ ства грунта. Величина X для каждого данного грунта обычно постоян­ на. Закономерности, близкие к уравнению (III.40), наблюдаются и в ряде других дорожно-строительных материалов. Это подтверждает также анализ работ, проведенных в ХАДИ [27].

Исследования показывают [10], что при снижении длительности нагружения существенно возрастает прочность на изгиб материалов, обработанных вяжущим.

Поскольку под воздействием движущихся автомобилей механиче­

указанных особенностей влияет скорость автомобиля, т. е. длитель­ ность нагружения, необходимо знать эту длительность. Наиболее распространенные скорости движения тяжелых грузовых автомобилей на дорогах общего пользования лежат в пределах 40—60 км/ч. В этом случае, как показывают исследования [4, 13, 24, 31], длительность действия нагрузки в каждой точке поверхности покрытия составляет 0,02—0,03 сек, а в пределах чаши прогиба длительность нагружения достигает 0,1—0,3 сек.

Величина усилия от заднего колеса наиболее тяжелого для дорог общего пользования автомобиля с учетом ударов на небольших неров­ ностях (допустимых по условиям эксплуатации) составляет 5500— 6000 кГ.

240