книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

на отличные от примененных в опытах грунты, на иной режим движе­

американских специалистов, а также исследователей в других странах стали раздаваться голоса, что испытания AASHO имеют ограниченный характер и не могут обобщаться. Подверглись сомнению: а) метод приведения различных автомобилей к расчетному; б) приведение мно­ гослойных конструкций к эквивалентной толщине; в) зависимость прогибов конструкций от общего числа проходов автомобилей; г) за­ кономерности влияния на результаты расчета замерзания и оттаива­ ния грунта земляного полотна, которое наблюдали только в течение двух лет; д) возможность обобщать результаты измерений прогибов для слоев основания разной жесткости: е) закономерность экстрапо­ ляции кривой зависимости прогибов и эквивалентных толщин от количества прошедших автомобилей.

Для советских исследователей выводы AASHO не явились неожи­ данностью, так как многие из них были нами получены на двадцать

Применяемые в настоящее время в различных странах методы испытания дорожных одежд включают в себя измерения прогибов под

волн, заложение датчиков для определения деформаций и напряжений, возникающих в дорожной одежде и земляном полотне, измерения ров­ ности поверхности покрытия.

Для измерения прогибов, кроме балки Бенкельмана, во Франции и некоторых других странах применяют прогибомер Лакруа, дающий возможность увеличить производительность испытаний. Этого дости­ гают тем, что измерительный прибор типа рычажного прогибомера (рис. 1.5) подвешивают непосредственно к автомобилю, движущемуся

20

со скоростью 1—1,5 км/ч. По мере подъезда колеса к измерительному стержню производится запись нарастающего прогиба до его макси­ мальной величины. Затем специальное устройство переносит измери­

водительность в случае применения балки Бенкельмана, однако боль­ шой разброс результатов испытаний сильно затрудняет их обработку. Проводят эксперименты с определением не только прогиба, но и ра­ диуса кривизны поверхности покрытия под нагрузкой от колеса. Произведение этих показателей (прогиба и радиуса кривизны) пред­ лагают как характеристику прочности дорожной одежды.

В Англии в результате испытаний статическим нагружением колеса автомобиля с измерением прогиба балкой Бенкельмана установлено, что при щебеночных основаниях и тяжелом движении (4000 грузовых автомобилей в сутки) допустимый прогиб / равен 0,5 мм. Для анало­

Испытания дорожных одежд путем статического вдавливания жест­ кого штампа применяют в настоящее время редко вследствие громозд­ кости оборудования и длительности процесса испытаний.

Динамическое воздействие на дорожную одежду осуществляют двумя способами:

1. Созданием кратковременного усилия путем сбрасывания груза с измерением возникающей при этом вертикальной деформации с по­ мощью сейсмодатчиков либо вибрографов. Длительность действия усилия близка к воздействию колеса движущегося автомобиля. Этот способ за рубежом применяют сравнительно редко. Большее распро­ странение он получил в СССР.

2. Вибрационным воздействием с помощью легких и тяжелых гене­

в покрытии. Характеристикой качества служит скорость распростра­ нения-упругих волн. В табл. 1.3 приведены данные о скорости поверх­ ностных волн Релея от легкого вибратора Гудмана (Франция) на раз­ ных покрытиях.

Как указано выше, по скорости распространения упругих волн определяют также модули упругости и коэффициенты Пуассона мате­ риалов покрытия (легкие вибраторы), а также модули упругости основания (тяжелые вибраторы). Одновременно измеряют скорости распространения волн на лабораторных образцах.

В ФРГ для испытаний образцов из битумоминеральных смесей применяют вибратор с частотой колебаний от 5 до 50 герц. Определяют динамические модули упругости, которые зависят главным образом от температуры и в меньшей степени от продолжительности действия •нагрузки. Параллельно проводят испытания на изгиб, кручение, сжатие и сдвиг.

21

* Трещины и неуплотненные места в покрытии.

**Переуплотненные и неустойчивые места в покрытии.

Для испытания дорожных одежд в натуре применяют пульсатор, дающий вертикальные синусоидальные нагрузки с частотой 10—75 гц. Амплитуда изменений нагрузок составляет от нескольких сот до 2000 кГ. Эксперименты подтвердили необходимость того, чтобы жест­ кость соседних слоев отличалась минимально и чтобы сцепление между ними было обеспечено.

Напряжения и деформации в дорожной конструкции рассчиты­ вают по таблицам Джонса для трехслойных систем. Расчеты и экс­ перименты, проведенные в ФРГ, показали:

1. При щебеночном основании весной, когда грунт и основание насыщены водой, динамический модуль упругости Елин верхнего слоя сравнительно высок и поэтому изгибающие напряжения могут вызвать трещины в покрытии. При основании из битумоминеральных смесей неблагоприятным периодом является лето ввиду заметного уменьшения несущей способности дорожной одежды и падения сопро­ тивления изгибу на нижней поверхности основания. Величина напря­ жения изгиба зависит в первую очередь от толщины основания и зна­ чительно меньше от температуры. Это совпадает с данными МАДИ.

2.Конструктивные слои из битумоминеральных смесей при равной их прочности со слоями из необработанного щебня могут быть в 2 раза тоньше.

3.Испытания по методике компании Шелл дают возможность измерить растягивающие напряжения внутри конструкции при помощи специальных датчиков, заключенных в битумоминеральную оболочку,

т.е. не меняющих однородность слоя. Опыты показали, что факти­ ческие деформации не соответствуют теоретическим. Объяснения этому пока не даны. По-видимому, здесь сказывается неопределенность связи между слоями.

Дорожная исследовательская лаборатория Англии наряду с опре­ делением динамических модулей упругости материалов конструктив­ ных слоев одежды по скорости распространения упругих волн вела подробный учет нагрузок на колесо при помощи специальных автома­ тических устройств, работающих без остановки движения.

22

В последние годы в ряде стран (Англия, Франция) строят круговые экспериментальные дороги для решения вопросов, .которые не были достаточно выяснены в опытах AASHO. В частности, во Франции строительство осуществляется по нормальным требованиям без предо­ сторожностей, принятых в эксперименте AASHO для получения спе­ циальной однородности материалов. Участки длиной не менее не­ скольких сот метров построены по обычной технологии. Предложены смелые конструкции, но ни в коем случае не заведомо непрочные. В верхнем слое основания преимущественно применены материалы, обработанные вяжущими. В нижнем слое также в некоторых случаях использованы материалы, обработанные органическими или мине­ ральными вяжущими. Все конструкции рассчитаны по математическим моделям, существующим в данное время, материалы испытаны в ла­ боратории (сопротивление изгибу, усталость, деформативность). На дороге намечено проводить измерение продольного и поперечного про­ филей, статических и динамических прогибов в разное время года, про­ водить испытания легким вибратором. Должны быть заложены дат­ чики; в ходе испытаний намечено фиксировать выбоины, трещины

ит. д. Непрерывно будет вестись учет движения по количеству осей

ипо нагрузке на них. Вместо автомобилей должны автоматически двигаться только нагруженные оси с легким поперечным перемеще­ нием. Частота движения будет такой, чтобы не прибегать к экстрапо­ ляции, как у AASHO, и в один-два года пропустить весь расчетный поток.

ВАнглии испытания различных типов покрытий и оснований (ук­ репленных и не укрепленных вяжущими) производят на круговом треке диаметром 33,5 м. Секции уложены на однородном грунте тол­ щиной 1,5 м. Уровень грунтовых вод может изменяться. Толщина покрытия — 10 см, нижний слой основания — 20 см из гравия. Верх­ ние слои основания различные: тощий бетон, асфальтобетон, грунт, обработанный цементом, щебень различного типа. Нагрузка на колесо изменяется от 900 до 1800 кГ. Трек оборудован датчиками для изме­ рения напряжений, деформаций, температуры.

Различные методы . испытаний, применяемые в разных странах, дают неодинаковые и даже иногда противоречивые результаты. Объ­ ясняется это как различием в методике испытаний, так и определен­ ными особенностями материалов и климатических условий. Например, наибольшие модули упругости получают по скорости распространения поверхностных волн, когда наблюдаются только упруго-линейные деформации. При других испытаниях в большей степени сказываются вязкие свойства материалов. В этом случае модули упругости могут иметь меньшие числовые значения.

§1.6. Методы расчета дорожных одежд, применяемые за рубежом

Анализируя высказывания различных зарубежных исследователей в области расчета дорожных одежд, можно сделать вывод, что в бли­ жайшее время трудно ожидать разработки приемлемого для всех

23

дов назначения толщин дорожных одежд. Однако наиболее распростра­ нен метод расчета по величине упругого прогиба с учетом размеров движения (Венгрия, ГДР, Польша, Румыния). Значительное внимание, в частности в ГДР (работы Ф. Мюллера, К. Штрунка [27] и др.), обра­ щают на измерение наряду с прогибом также радиуса кривизны по­

рис. 1.7 видно, что между логарифмом прогиба и логарифмом радиуса кривизны имеется прямолинейная зависимость, изменяющаяся только' от величины модуля упругости подстилающих слоев. Пунктирная прямая соответствует однороднрму полупространству.

24

На рис. 1.8 показана зависимость допускаемого удлинения е в верх­ них слоях конструкции от количества прошедших расчетных автомо­ билей, дополняющая и уточняющая подобную зависимость, получен­ ную ранее Саалем и Пеллом, а теперь уже многими авторами в СССР

и за рубежом. Как видно из рис. 1.8, увеличение в 10 раз количества прошедших автомобилей уменьшает допускаемое удлинение примерно в 1,5 раза. От относительного удлинения е легко перейти к допускае­ мому напряжению а:

В табл. 1.4 (ГДР) даны численные значения допустимых относи­ тельных удлинений для асфальтобетонных покрытий в зависимости от класса дороги и размера движения. Там же приведены коэффициенты запаса для материалов, обработанных цементом. На эти коэффициенты нужно делить допустимые относительные удлинения, рекомендован­ ные для асфальтобетона.

Пользуясь графиком, приведенным на рис. 1.10, можно приближен­ но установить величину необходимого утолщения существующей одежды по известным величинам допустимого и измеренного прогибов, а из рис. 1.11, зная прогиб и радиус кривизны, ориентировочно опре-

Рис. 1.7. Зависимость между радиусом кривизны R и прогибом / в двухслойной

системе

25

делить модуль упругости нижних слоев несвязанных материалов и установить, с какой точностью определяется напряжение или удли­ нение по приближенным формулам.

Величину Ff>, необходимую для пользования этим графиком, определяют по номограмме на рис. 1.6.

В ГДР в 1969 г. принят стандарт на назначение толщины дорож­ ной одежды нежесткого типа (Т91 22853 и Т91 9992). В основу поло­ жен допустимый прогиб под расчетной нагрузкой 5 Г на колесо при удельном давлении 5,5 кГ/см2 и D = 34 см.

В зависимости от класса нагрузки и жесткости основания установ­ лен допустимый (нормативный) прогиб и рекомендуемая толщина по­ крытия (табл. 1.5). Если слои обработаны вяжущим, то необходимо проверять их на изгиб.

В табл. 1.5 в скобках даны общие модули упругости одежды, со­ ответствующие прогибам, вычисленным по формуле, применяемой

26

ной системы. Выбранную многослойную систему приводят к двухслой­ ной путем-вычисления средневзвешенного модуля всех слоев по фор­ мулам МАДИ [11].

27

Почти все методы, применяемые в странах Западной Европы и Америки, основаны на следующих исходных данных: характеристике прочности (несущей способности) грунта земляного полотна; размере движения на полосе, приведенном к заданной расчетной нагрузке на ось (8—10—13 Т).

По этим данным определяют общую условную, как часто называют, эквивалентную толщину одежды (аналогично AASHO), учитывая различные свойства слоев. Для этого используют эмпирические кри­ вые. Иногда (Англия) приводят многослойную одежду к трехслойной и пользуются теорией трехслойного полупространства.

28

В США и многих других странах прочность грунта характеризуется

грунта или другого дорожного материала, помещенного в цилиндр высотой 20 см и диаметром 20 см. Испытуемый грунт предварительно в течение четырех суток капиллярно насыщают снизу водой. Измерен­ ное давление сопоставляют с типовым, равным 100. В качестве типо­ вого принято давление на штамп, погружаемый в щебень.

В последнее время в ряде стран изменили способ увлажнения при­ менительно к своим климатическим и гидрологическим условиям (Индия, Марокко).

29