книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

При указанных выше длительностях действия и величинах нагру­ зок был определен ряд расчетных параметров, учитывающих кратко­ временное действие движущихся автомобилей. В исследованиях, по­ мимо автора настоящей главы, приняли участие А. А. Алиев, А. М. Шак, А. Н. Тимофеев, С. В. Суханов (см. § III.15—III.17). При этом исхо­ дили из того, что в случае работы грунтов, дорожно-строительных материалов и дорожных одежд в целом в стадии обратимых деформа­ ций теоретические положения, установленные для упругого полу­ пространства, имеют место как при длительном, так и при кратковре­ менном действии нагрузок. Возможность такого допущения подтвер­ ждают исследования М. Б. Корсунского, освещенные в литературе П9] и частично в гл. 6, а также приведенный выше анализ роли собст­ венных колебаний в общей деформации дорожной одежды.

§ III.15. Требуемые модули упругости

при кратковременном действии нагрузки

Для установления требуемых модулей упругости с учетом кратко­ временного действия нагрузки (динамических модулей) была приме­ нена установка динамического нагружения, методика работы с которой и конструкция описаны ниже (см. § I I 1.21). Эта установка по величине усилия и длительности его приложения позволяет воспроизвести с до­ статочной точностью действие движущегося автомобиля.

241

С помощью установки динамического нагружения проведено не­ сколько тысяч испытаний на различных дорогах европейской части страны. Статистическая обработка результатов этих испытаний, ана­ логичная изложенной в гл. 12, позволила установить зависимость тре­ буемых динамических модулей упругости для одежд с различными типами покрытий от интенсивности движения (табл. III.23).

Исследования показали, что численные значения требуемых дина­ мических модулей, так же как и статических (см. рис. III.3), при од­ них и тех же условиях движения различны для покрытий капиталь­ ных, облегченных и переходных. При этом к облегченным покрытиям, построенным с применением жидкого битума, можно предъявлять несколько меньшие требования, чем в случае применения вязкого битума. Объясняется это большей деформативной способностью пер­ вых.

§ Ш.16. Модули упругости грунтов и дорожно-строительных материалов при кратковременном действии нагрузки

Динамические модули упругости грунтов и дорожно-строительных материалов определяли по результатам послойных полевых испытаний дорожных одежд установкой динамического нагружения (см. § III.21). Грунты и некоторые материалы испытывали также на лабораторной установке динамического нагружения (рис. I I 1.13). Принцип дейст­ вия лабораторной установки аналогичен полевой установке, описанной в § I I 1.21. Вертикальную деформацию при нагружении измеряли виб­ рографом повышенной точности, который записывал величину этой деформации на движущуюся ленту с увеличением от 2 до 48 раз. Такое увеличение обеспечивает необходимую надежность измерений даже при весьма незначительных деформациях. Лабораторная установка поз­ воляет развивать усилие до 300 кГ при длительности нагружения от 0,003 до 0,3 сек.. Штамп применяли диаметром 3—5 см. Форма имеет высоту 20 см и диаметр 15 см. Соотношение размеров формы и штампа достаточны, чтобы пренебречь влиянием ее жестких стенок. В форме испытывали грунты, мелкие гравийные материалы и высевки, меняя их влажность и степень уплотнения.

Динамические модули упругости связных материалов (различные смеси, обработанные битумом или цементом) определяли, применяя образцы в виде цилиндров. Эти образцы испытывали в условиях сво­

Введение коэффициента 1 — и.2 позволяет учесть влияние бокового обжатия, имеющего место в реальных условиях и отсутствующего при свободном сжатии образцов.

242

коэффициента вязкого сопротивления т]0 и статического модуля упругости (т)0 = ЬЕ0); К' — скорость изменения

ром 30—35 см, меньшие — при 3—5 см).

На существование линейной связи между величинами модуля грун­ та и начального коэффициента вязкого сопротивления при данной нагрузке указывал также Ю. Л. Мотылев [28]_. Наличие такой зависи­ мости для дорожной одежды хорошо показано С. И. Миховичем [27]. Исследования, проведенные в МАДИ, позволили установить, что чис­ ленные значения коэффициента b для данного грунта или материала за­ висят от величины удельной нагрузки (табл. 111.24).

243

Величина коэффициента b указана в табл. I I 1.24 для тех удельных давлений, при которых возможно наличие только упругих (обратимых) деформаций.

Всвязных грунтах в процессе упругого деформирования, помимо контактных деформаций грунтовых частиц, существенную роль играет вытеснение пленочной воды, находящейся под влиянием молекуляр­ ного взаимодействия с поверхностью минеральных частиц. С увели­ чением нагрузки создается тенденция к повышению скорости дефор­ мации. Пленочная вода сопротивляется этому. В результате началь­

ный коэффициент вязкого сопротивления т)0 с увеличением давления несколько возрастает, а следовательно, возрастает величина коэффи­ циента Ъ.

Внесвязных грунтах и гравийных материалах упругое деформи­ рование в значительной степени осуществляется за счет сжатия защем­ ленного воздуха и обратимых деформаций минеральных частиц. Здесь тенденция к повышению скорости деформирования с увеличением дав­

ления не встречает в начальный период сопротивления и величина г]0 в определенном интервале делений не только не возрастает, но даже снижается.

С другой стороны, в несвязных грунтах и материалах в процессе . действия данной нагрузки коэффициент вязкого сопротивления воз­ растает во времени значительно быстрее, чем в связных. Иными сло­ вами, в несвязных грунтах и материалах деформации от постоянной нагрузки., не превышающей определенного предела, затухают быст­ рее. Это также может быть объяснено малой ролью пленочной воды в процессе их деформирования.

Константа грунта %, характеризующая собой относительный при­ рост вязкости в единицу времени, как показали экспериментьт, для суг­ линистых грунтов равна в среднем 2 ~ , для супесчаных грунтов —

2,5 — , для гравийных материалов и песков — 3,5—4 — .

Тот факт, что в несвязных грунтах и материалах затухание дефор­ маций при действии постоянной нагрузки происходит существенно быстрее, чем в связных грунтах, является причиной значительно мень­ ших соотношений динамических и статических модулей у первых по сравнению со вторыми.

244

Вгрунтах и материалах, обработанных органическими вяжущими при положительных температурах, имеет место достаточно большое изменение величины упругой деформации в зависимости от времени действия нагрузки. Причиной этого является наличие пленок вяжу­ щего, обволакивающих минеральные частицы. Эти пленки, как извест­ но, при нагрузках, не превышающих определенной для данного вяжу­ щего и данной температуры величины, деформируются в упруго-вяз­ кой стадии без остаточных деформаций. Значение имеет также и тол­ щина пленок.

Вгрунтах и материалах, обработанных минеральными вяжущими (цемент, известь), между частицами возникают в основном жесткие связи. Здесь основная часть деформации происходит почти мгно­ венно. Вязкая часть упругой деформации, протекающая во времени, хотя и есть, но сравнительно невелика. Доля вязкой части деформа­ ции зависит от вида обработанного материала и содержания минераль­ ного вяжущего. В грунтах и материалах, содержащих значительное количество мелких глинистых частиц при малом содержании минераль­

ного вяжущего, доля вязкой части в упругой деформации выше, чем в грунтах и материалах, содержащих мало глинистых фракций и обра­ ботанных повышенным количеством минерального вяжущего.

245

П р и м е ч а н и е . Модули упругости материалов, содержащих органичес­ кие вяжущие, приведены для температуры 8—10° С. При 0—2° С (расчет на из­ гиб) соответствующие модули нужно принимать в 1,4—1,5 раза выше.

Т а б л и ц а I I I . 27

П р и м е ч а н и е . Меньшие значения динамических модулей упругости соответствуют выемкам и нулевым местам, но при условии устройства песчаных слоев по принципу водопоглощения или с дренажем (особенно во I I и I I I дорожноклиматических зонах).

246

и дорожно-строительных материалов применительно к условиям, близ­ ким к реальным для периода весеннего ослабления дорожных одежд.

У легких суглинков соотношения Ея/Е0 приближаются к указан­ ным соотношениям для супесей.

Обобщение результатов полевых и лабораторных испытаний поз­ воляет рекомендовать предварительные значения динамических моду­ лей упругости наиболее распространенных дорожно-строительных ма­ териалов и грунтов земляного полотна (табл. III.26 и III.27).

§ III.17. Допустимые растягивающие напряжения

при кратковременном действии нагрузки

Исследования показывают, что при наиболее распространенных скоростях движения грузовых автомобилей (40—60 км/ч) длительность действия растягивающих усилий в конструктивных слоях, способных работать на изгиб, составляет 0,05—0,10 сек.

Растягивающие напряжения действуют в пределах всей чаши проги­ бов, возникающей под действием автомобильного колеса (рис. I I I . 14). Но, как видно из этого рисунка, в процессе прохождения колеса напря­ жения меняют свой знак. Это подтверждается экспериментами, про­ веденными в МАДИ и Ленинградском филиале Союздорнии [31]. На­ пряжения данного знака длятся в указанных выше пределах. Для оп­

247

(10 кГ/сек), нагрузки. В качестве примера на рис. Ш.16 приве­ дены результаты таких параллельных испытаний образцов мелкозер­ нистого асфальтобетона при различных температурах.

Прочность образцов при кратковременной нагрузке во всем диапа­ зоне температур, при которых производили испытания, естественно, оказывается выше, чем прочность при медленно возрастающей, т. е. более длительно действующей нагрузке. Соотношения между этими прочностями, как видно из рис. I I 1.16, с понижением температуры уменьшаются. Объяснено это может быть тем, что с понижением тем­ пературы асфальботон имеет тенденцию приближаться к абсолютно упругому телу. ,

Для смесей без минерального порошка прочность на растяжение при изгибе в среднем в 1,8—2 раза ниже, чем для плотных смесей, но характер зависимости прочности от температуры и соотношения между прочностью при кратковременной и медленно возрастающей нагрузке для всех смесей с применением органического вяжущего примерно оди­ наковы. При температуре 0—2° С, которая является наиболее опасной с точки зрения работы на изгиб конструктивных слоев реальных одежд, содержащих органические вяжущие, соотношение между прочностью от кратковременной и медленно возрастающей нагрузок составляет около 1,7.

Прочность на изгиб смесей, укрепленных цементом, при различных положительных температурах меняется несущественно. Здесь соотно­ шение прочиостей от кратковременной и статической нагрузок состав­ ляет 1,4—1,5.

Проведенные исследования позволили установить средние значе­ ния предельных растягивающих напряжений для различных мате­ риалов при однократном действии кратковременной (0,1 сек) нагрузки. Работы, выполненные в МАДИ Т. Н. Калашниковой, дают возможность рекомендовать коэффициенты запаса, которые нужно вводить в чис­ ленные значения сопротивлений изгибу в зависимости от повторяю­ щейся нагрузки. С учетом этих коэффициентов запаса установлены ве-

Рис. III.16. Зависимость пре­ дела прочности на растяже­ ние при изгибе от темпера­ туры при испытаниях образ­ цов из мелкозернистого ас­

фальтобетона:

248

Т а б л и ц а III . 28

личины допустимых растягивающих напряжений в ряде материалов конструктивных слоев дорожных одежд в зависимости от интенсив­ ности движения по двум полосам дороги (табл. III.28). Эти напряже­ ния соответствуют температуре 0—2° С.

§ 111.18. Сопоставление результатов расчета при кратковременном и длительном действии нагрузки

Методика расчета дорожных одежд сдчетом кратковременного дей­

тем, что теоретические предпосылки, лежащие в основе современного расчета, справедливы с достаточной точностью и в том и в другом слу­ чаях. Указанное положение подтверждают соображения, изложенные в § III.14, и другие исследования [9, 19].

Производя расчет по требуемым динамическим модулям, так же как и при расчете по статическим модулям, необходимо обеспечивать верх­ ние слои от возникновения трещин вследствие растяжения при изгибе. Так как материалы указанных слоев обычно являются наиболее до­ рогими, целесообразно использовать достаточно полно их способность работать на изгиб. Это условие будет выполнено, если фактические растягивающие напряжения окажутся близки к допустимым при за­ данной повторности действия нагрузки (интенсивности движения).

Как известно, величины растягивающих напряжений в данном слое зависят от его толщины и соотношения модулей упругости этого слоя и всего нижележащего полупространства.

В табл. I I 1.29 приведены толщины верхних слоев дорожной одеж­ ды, построенных с применением органического вяжущего, при которых в этих слоях возникают напряжения, близкие к допустимым при данной интенсивности движения. Напряжения вычисляли с помощью номо­ грамм, построенных по данным проф. Б. И. Когана [9].

249

П р и м е ч а н и е . Нижний слой при асфальтобетонном покрытии может быть из битумоминеральной смеси или щебня, обработанного вязким битумом в установке.

Хотя для нижнего слоя асфальтобетона и смесей из каменных1латериалов, обработанных органическим вяжущим, допустимые растяги­ вающие напряжения приняты одинаковыми (см. табл. III.28), тем не менее покрытия из материалов, обработанных вяжущим, до опреде­ ленной интенсивности могут быть тоньше асфальтобетонного. Объяс­ няется это тем, что для указанных покрытий требуемые динамические модули упругости ниже, меньше модули материала покрытия, а следо­ вательно, меньше соотношения модуля верхнего слоя и общего модуля нижележащих слоев. Но при значительной интенсивности движения потребная толщина облегченного покрытия начинает быстро расти. Толщины слоев, приведенные в табл. I I 1.29, являются экономически целесообразными в случае применения в покрытии данного материала, так как позволяют использовать наиболее полно его механические свойства. В дальнейшем эти толщины могут быть уточнены.

Следует иметь в виду, что приведенное движение более 2000 расчет­ ных автомобилей в сутки для двухполосных дорог общего пользования встречается очень редко. Уже такое движение, учитывая значительное количество более легких автомобилей, включая легковые, соответствует 6000—8000 авт./сутки, что являетсярациональным пределом по про­ пускной способности для двух полос. Поэтому толщины верхних слоев одежды, содержащих органическое вяжущее, при наличии асфальто­

факторов, как повышенный износ и меньшая ровность, при движении более 400—500 расчетных автомобилей в сутки облегченные покрытия становятся экономически невыгодными.

250