книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

Рис. 1.23. Толщина нижнего слоя основания в зависимости от суммарного коли­ чества расчетных автомобилей, проходящих за срок службы по одной полосе движения, и показателя CBR земляного полотна

30

0Вшгее числорасчетных абтомод'илеа за срок службы fro1]

Рис. 1.24. Зависимость толщины основания и покрытия от суммарного количества расчетных автомобилей за. срок службы по одной полосе движения:

/ — основание из плотного щебеночного слоя; 2 — покрытие из асфальтобетона

oflidfli щцрв 0,10,2 o/topip г Jf б ь ю го МБовот

Dffiu.ee числорасчетных а6томоа~и.пЕИзисрокспуж5ыHos]

Рис. 1.25. Зависимость толщины покрытия и верхнего слоя основания от суммар­ ного количества расчетных автомобилей за срок службы по одной полосе дви­ жения:

/ — верхний слой основания из черного щебня; 2 — покрытие из двухслойного асфальтобетона

Рис. I.26. Зависимость минимальной толщины покрытия из асфальтобетона и верхнего слоя основания из тощего цементобетона или грунта, укрепленного цементом, от размера суммарного движения. При размере движения выше П млн. расчетных автомобилей слой основания на толщину более 10 см следует прини­ мать из обработанного органическими вяжущими щебня:

/ — асфальтобетон; 2 — тощий цементобетон

готавливается метод с использованием вибратора Федеральной дорож- но-исследовательской лаборатории.

В Нидерландах Хейкелон и Кломп предлагают зависимость для расчета толщины слоев h, обработанных органическим вяжущим (по­ крытие и верхний слой основания):

(1.14)

41

Толщины покрытия и верхнего слоя основания, вычисленные по

Большинство описанных выше методов расчета нежестких дорож­ ных одежд, применяемых за рубежом, особенно в странах Западной Европы и Америки, основаны на оценке свойств грунта по методу CBR и на учете лишь косвенно предельного прогиба при разном движении. В результате прямой связи между прогибом и требуемой общей жест­ костью всей одежды не получается и часто спроектированные конст­ рукции не удовлетворяют нормам по жесткости. Между тем оценка по прогибам почти везде широко применяется для определения степени необходимого усиления конструкции. Даже в таких странах, как Англия и Франция, где дорожные одежды в основном назначают по результатам изучения опытных участков, рекомендуется делать про­ верку по прогибу под колесом тяжелого автомобиля. В Англии ре­ комендуют для тяжелого движения нормативный модуль упругости 3000—4000 кГ1см2, а для оснований, построенных с использованием цемента, 7500 кГ/см2 (нагрузка на колесо 3,2 Т); в Италии — от 1500 до 3170 кГ/см2 (нагрузка на колесо 6,5 Т); во Франции предельный прогиб от 0,2 до 1,5 мм (см. выше).

Ассоциация усовершенствованных дорог Канады (CGRA) на основе экспериментов на опытных участках при интенсивности движения

данным МАДИ, для аналогичных условий при сроке службы 15 лет прогиб должен быть 0,35 мм. На рис. 1.10 показано, как нужно утол­ щать каменное основание при различных допустимых прогибах.

Особенно широко измерение прогибов для оценки прочности до­ рожных одежд применяется во Франции, где к 1969 г. было выпущено 27 испытательных автомобилей (рис. 1.5) с нагрузкой на ось 13 Т (прогибомер Лакруа).

При обработке результатов было ранее принято, что прогиб при­ мерно пропорционален горизонтальному растяжению на контакте слоев при двухслойной системе. Это, однако, лишь приблизительно пра­ вильно в том случае, когда верхний слой достаточно жесткий и лежит на дискретном основании.

42

Сейчас уже и во Франции, так же как и в ГДР (см. выше), считают, что одного измерения прогиба недостаточно и нужно измерять до­ полнительно радиус кривизны R на поверхности дорожной одежды.

Из теоретических соображений для двухслойной системы [13]

прогиб

где Е2 — модули упругости верхнего и нижнего слоев двухслой­ ной системы; Н — толщина верхнего слоя; г — радиус круга, равновеликого следу колеса; р — удельное давление от колеса;

Ки /г — безразмерные функции.

Перемножив зависимости 1.15 и 1.16, получим

Н

условно считать не зависящим от — .

Экспериментально установлено, что для традиционных конструк­ ций без связйых материалов в основании и с тонким верхним слоем при прогибе I в пределах от 0,5 до 3 мм произведение Rl (R в м\ I в со­ тых долях мм) колеблется близко от величины (5000—7500 м) 0,01 мм

основания сказывается на увеличении произведения Rl, но с большим сравнительно разбросом точек. Поскольку с увеличением жесткости понижается нормативный прогиб, то, следовательно, радиус кривизны R для оснований из несвязных материалов составляет 70—80 м, для

ных оснований и покрытий — тысячи метров.

43

Все эти положения еще очень далеки до конкрет­ ного практического приме­ нения. Гораздо надежнее по измеренному радиусу кривизны покрытия опре­ делять предварительные значения напряжений или относительных удлинений внизу верхнего слоя с тем, чтобы впоследствии уточ­ нить эти значения, поль­ зуясь решением Б. И. Ко­ гана, М. Б. Корсунского, Одемарка (см. рис. 1.11) с •учетом толщины слоев и соотношения их модулей

^ 1 7 , 8 ] .

44

Метод «Колас» (Франция) предполагает прямую зависимость между логарифмами прогибов до усиления и после усиления при измерении их в весенний период [22]. Требуемое утолщение вычисляют по фор­ муле

где / 0 — прогиб до усиления; I — прогиб, допускаемый по условиям движения через 10 или 20 лет (для колес с нагрузкой 6,75 Т); р —• степень усиления, зависящая от характера материала и его уп­ лотнения (обычно 5—7; для материалов", укрепленных цемен­ том, — 10).

В зависимости от величины измеренного в весенний период прогиба Центральная лаборатория дорог и мостов Франции рекомендует тол­ щины усиления дорожной одежды для перспективного движения через 10—20 лет (табл. 1.15).

Анализ методов расчета нежестких дорожных одежд, применяемых за рубежом, особенно в странах Западной Европы и Америки, пока­ зывает, что большинство из них исходят из эмпирического и достаточ­ но условного показателя CBR. Теоретические положения в этих методах используются еще мало.

Основы новой методики расчета жестких дорожных одежд с учетом повторности воздействия нагрузок. М., «Высшая школа», 1969, 51 с.

строительства и эксплуатации дорог РСФСР . Вып. 1. М., изд. Ц Н И Л Гушосдора, 1969, с. 43—54.

• 5 . И в а н о в Н. Н. Международный дорожный конгресс в Токио. — «Автомобильные дороги», ^1968, № 9, с. 4.

45

Ч а с т ь I I

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД, РАБОТАЮЩИХ В СТАДИИ ОБРАТИМЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Г л а в а 3

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТОВ, МАТЕРИАЛОВ И ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОВТОРЯЮЩИХСЯ НАГРУЗОК

§ПЛ. Условия работы дорожной одежды

игрунта земляного полотна под действием автомобилей

Современные высокие требования к эксплуатационным качествам одежды проезжей части на дорогах высших категорий в отношении долговечности и ровности поверхности, допускающей движение с вы­ сокими скоростями, могут быть удовлетворены лишь при условии, если одежда работает под действием эксплуатационных нагрузок в стадии обратимых деформаций. Это условие лежит в основе исследо­ ваний, результаты которых излагаются в этой части книги.

Были изучены закономерности деформирования грунтов, материа­ лов и слоистых конструкций под действием повторных нагрузок, в ре­ зультате чего представилось воможным сформулировать три стадии деформирования применительно к эксплуатационным требованиям, предъявляемым к дорожным одеждам разного назначения [41, 51].

Подробно исследованы условия, при которых обеспечивается ра­ бота дорожных конструкций1 в стадии обратимых деформаций и создана методика расчета таких конструкций. В качестве расчетной модели в данном случае использовано слоистое упруго-изотропное полупро­ странство.

Исследования дали возможность существенно развить имевшиеся решения теории упругости применительно к особенностям конструкций дорожных одежд и создать сравнительно несложный расчетный аппарат для определения напряжений и перемещений в отдельных конструк­ тивных элементах. Разработанная методика расчета [69] основывается на двух обязательных критериях предельного состояния: а) предель­ ное равновесие при сдвиге в грунте земляного полотна и слабосвязных материалах промежуточных конструктивных слоев одежд; б) предельно допустимое растягивающее напряжение при изгибе в монолитных

1 Здесь и далее под термином «дорожная конструкция» авторы имеют в виду дорожную одежду и грунт земляного полотна, напряженное и деформированное состояние которых под действием временных нагрузок определяют в конечном итоге службу проезжей части дороги- в процессе эксплуатации.

47

слоях одежды (асфальтобетон, укрепленные цементом грунты и ма­ териалы и др.). Только при соблюдении обоих этих условий гаранти­ руется сохранение высоких эксплуатационных качеств на протяжении длительного времени.

Хотя книга посвящена расчету и конструированию дорожных одежд нежесткого типа, в гл. 9 приведен разработанный в последнее время в Ленинградском филиале Союздорнии метод расчета оснований одежд с бетонными покрытиями. Объясняется это тем, что указанный метод основывается на тех же предпосылках и в нем используются те же критерии предельного состояния, что и в приводимом методе назначения конструкций одежд нежесткого типа.

ижесткого типов.

Дорожная одежда подвергается воздействию повторных кратковре­

менных нагрузок от проходящих по дороге транспортных средств. Среднее удельное давление на поверхность покрытия от современ­

ных стандартных грузовых автомобилей составляет 4—7 кГ/см2 при площади контакта с покрытием двух сдвоенных колес 600—900 см2. С глубиной удельное давление на нижележащие конструктивные слои снижается. Эпюра давлений на подстилающий нежесткую дорожную одежду грунт имеет колоколообразное очертание. Максимальная величина вертикальных напряжений, передающихся на грунт, в раз­ личных природных и эксплуатационных условиях находится чаще всего в пределах от 0,2 до 1,5 кГ/см2.

Благодаря распределению нагрузки верхними слоями конструк­ ции продолжительность действия напряжений от движущихся авто­ мобилей на подстилающий одежду грунт составляет приблизительно 0,1—0,3 сек, а средняя скорость роста вертикальных напряжений на поверхности грунтового основания находится чаще всего в пределах

вертикальные нагрузки, изменяющиеся во времени со сравнительно высокими скоростями.

Частота нагружения зависит от интенсивности и скорости движе­ ния, а также от вида обращающихся по дороге транспортных, средств.

Наименьший интервал между следующими друг за другом авто­ мобилями исходя из условия безопасности движения определяется, как известно, их скоростью движения и состоянием поверхности по­ крытия. Расчетный минимальный интервал времени между нагруз­ ками от двухосных автомобилей (задние оси расчетные) составляет 2—3 сек.

Значительно более высокая частота нагружения имеет место при движении автопоездов. Здесь интервалы между нагрузками не пре­ вышают 0,3—0,4 сек. Еще более неблагоприятные условия созда­ ются при движении автомобилей с двумя задними осями. Расстоя­ ние между ними у современных моделей составляет 1,2—1,4 м. В связи с этим интервал между нагрузками снижается до 0,05—0,1 сек.

48

Помимо вертикальных на дорожную конструкцию действуют также горизонтальные силы — силы тяги и силы торможения, центробеж­ ные силы на кривых и др.

Наибольшие из них — силы торможения могут в отдельных слу­ чаях приближаться по величине к вертикальным силам. Однако, как показали исследования, напряжения, вызванные горизонтальными силами, затухают с глубиной в несколько раз быстрее, чем напряжения

одежды.

Под действием временных нагрузок в дорожной одежде и грунте земляного полотна происходят обратимые или необратимые измене­ ния, от характера и величины которых зависит в конечном счете экс­ плуатационное состояние дороги. Естественно, поэтому вопросам, связанным с воздействием на грунты, материалы и дорожные конст­ рукции циклических нагрузок, давно уделяется большое внимание как в СССР, так и за рубежом [8, 11, 17, 18, 19, 29, 46, 48, 62, 82, 90,

91и др.].

В процессе исследований установлено, что накопление деформаций

при многократном нагружении происходит более интенсивно, чем под действием постоянной нагрузки той же величины за суммарно одинаковый промежуток времени. Было показано, что с ростом вели­ чины нагрузки интенсивность накопления деформаций возрастает. Установлено также (Ю. Л. Мотылев [46] и др.), что закономерности накопления деформаций -имеют самый' различный характер и, как правило, не подчиняются логарифмическому закону, принимавшемуся вначале отдельными исследователями на основании результатов испы­ таний с небольшим числом приложений нагрузки.

С увеличением времени действия циклической нагрузки, скорости роста напряженного состояния, а также по мере снижения интервалов между нагрузками возрастает интенсивность накопления деформаций. Однако это заметно проявляется лишь при невысоких запасах проч­ ности1 . При больших запасах, порядка 3 и более, влияние перечислен­ ных факторов практически не улавливается [29].

Замечено также, что при относительно малой величине повторяю­ щихся нагрузок накопленная деформация сравнительно быстро ста­ билизируется и поэтому неправильно учитывать сумму работы де­ формаций без учета величины нагрузки.

К сожалению, недостаточное внимание припроводившихся до недавнего времени исследованиях уделялось выяснению физической сущности процессов, происходящих в грунтах и слоистых дорожных одеждах при. повторяющемся нагружении: Между тем, для того чтобы иметь возможность в должной степени обоснованно учитывать в рас­ четах результаты воздействия повторяющихся нагрузок, необходимо знать характер явлений, протекающих в различных случаях. Этому

1 Под этим термином имеется в виду отношение величины разрушающей статической нагрузки к величине нагрузки, действующей многократно. Это от­ ношение иногда называется также коэффициентом прочности.

49