книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

обусловливался возникновением пластических смещений в материале

не вызывающими образования значительных остаточных деформаций, зафиксирована четкая пропорциональность между нагрузкой и ве­ личиной обратимой деформации. Линейная зависимость в данном случае сохранялась как при многократном приложении нагрузок разной величины, но с одинаковым режимом, так и под действием статических нагрузок, возрастающих ступенями. Однако величины

величины обратимых деформаций составляли 0,5—0,85 от таковых при длительном действии нагрузки. При этом низшие значения отно­ сятся к холодному, более высокие — к теплому периоду. Указанное объясняется проявлением вязких свойств асфальтобетонного покры­ тия. Соответственно существенно разнятся величиныдинамических

и длительных модулей упругости таких дорожных одежд. На одеждах

стонкослойными покрытиями динамические и длительные модули упругости достаточно близки.

Г л а в а 4

РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ И КРИТЕРИИ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

§ 11.5. Некоторые данные о службе дорожных одежд

в эксплуатации

На автомобильных дорогах, находящихся в эксплуатации дли­ тельное время, можно наблюдать самое различное состояние одежды проезжей части. На подавляющей часТи участков дорог, где одежда правильно сконструирована и построена, отсутствуют какие-либо дефекты, связанные с недостаточной прочностью конструкции. Это вполне ровные участки, без просадок и других неровностей, образова­ ние которых должно быть отнесено за счет возникающих в неблаго­ приятные периоды года пластических смещений в подстилающем грунте либо в материале конструктивных слоев одежды. Состояние проезжей части на этих участках не ограничивает скорость движения и, если не затрагивать пока вопрос об экономичности, такие конструкции могут рассматриваться как эталонные в имеющихся природных и эксплуатационных условиях.

На участках, где прочность одежды недостаточна, возникают де­ формации, существенно влияющие на эксплуатационные качества — в первую очередь на степень ровности одежды проезжей части. В ре­ зультате снижается скорость движения и сокращаются сроки между ремонтами. Размер деформаций и динамика их развития зависят прежде

70

всего от того, в какой мере имеющаяся дорожная одежда отличается по прочности от той, которая в данных условиях (движение, грунт, ма­ териалы, условия увлажнения и др.) работает без образования плас­ тических смещений. Чем меньше это различие, тем менее интенсивно развиваются деформации и наоборот.

В последнее время в Советском Союзе обследован ряд магистраль­ ных автомобильных дорог в различных природных районах. Обследо­ вали дороги с асфальтобетонным покрытием, построенные главным образом в последнее десятилетие по техническим условиям, близким к действующим в настоящее время.

Установлено, что на значительном протяжении обследованных участков состояние одежды в достаточной мере отвечает современным требованиям — одежда работает в стадии обратимых либо малых пла­ стических деформаций. На ряде участков образовались значительные деформации, а в отдельных случаях и разрушения, характерные для конструкций, работающих в упруго-пластической стадии.

Как следствие эксплуатационные качества одежды на значительном протяжении ряда дорог далеки от требуемых." Во многих случаях необходим преждевременный ремонт. Основной причиной неудовлет­ ворительного состояния-одежды является, как показали обследования, несоответствие прочности одежды имеющемуся движению.

Здесь сказались главным образом два обстоятельства. Прежде всего недоучитывали при проектировании перспективный рост дви­ жения. Во многих случаях уже вскоре после сдачи дороги в эксплуа­ тацию интенсивность движения, а главное количество в составе дви­ жения тяжелых автомобилей, превышали принятые их значения на перспективу. Определенную роль сыграло также несовершенство использовавшихся методой назначения конструкции дорожных одежд, включая и недостаточную обоснованность расчетных характеристик. Действовавший до последнего времени метод расчета нежестких до­ рожных одежд (метод Союздорнии) не в состоянии был обеспечить во всех случаях правильный учет влияния многочисленных факторов наработу дорожной одежды. В результате в отдельных случаях за­ проектированные дорожные одежды оказывались недостаточно работо­ способными, а в других — имели излишний, ненужный запас проч­ ности.

Но наряду с этим на дорогах имеется много участков, хорошо ра­ ботающих в течение длительного времени, на которых не обнаружено каких-либо дефектов, связанных с недостаточной прочностью. Такие участки являются образцом высокой долговечности конструкций, работающих в стадии обратимых деформаций.

Определенный интерес представляют результаты исследований работоспособности дорожных одежд на опытных дорогах AASHO [93]. Описание этих исследований приведено в I ч. книги.

В процессе испытания подробно фиксировалось состояние участ­ ков. Наряду с замером деформаций и других дефектов оценивалось в комплексе эксплуатационное состояние каждого участка по 5- балльной шкале. При этом учитывалась степень ровности, наличие просадок, трещин и других дефектов. Шкала оценок была составлена

71

дом трехосных автомобилей с нагрузкой на каждую из двух задних осей около 9 Т.

Обращает внимание прежде всего полная аналогия динамики из­ менения эксплуатационного состояния одежды с закономерностями деформирования в разных стадиях грунта и дорожных конструкций под действием многократных нагрузок (гл. 3).

Так, при толщине верхнего слоя основания 28—36 см (общая тол­ щина одежды 46—54 см) эксплуатационная оценка снижается всего лишь на 0,25 балла после первых 500 тыс. нагрузок. Дальше состояние одежды сколько-нибудь заметно не меняется1 .

Поскольку эксплуатационные качества одинаковы как при тол­ щине верхнего слоя основания 28 см, так и при 36 см, следует сделать вывод, что образовавшиеся на начальной стадии небольшие изменения состояния этих участков не связаны с недостаточной прочностью одежды в целом. Они вызваны, по-видимому, неравномерным по шири­ не доуплотнением материалов и грунта в процессе окончательного формирования конструкции, возможно, небольшими пластическими смещениями в материале покрытия (движение происходило в один след) и т. д. Можно констатировать, таким образом, что эти две кон­ струкции работают в рассматриваемых условиях в стадии практически лишь обратимых деформаций.

При толщине верхнего слоя основания 20 см состояние одежды после полумиллиона нагрузок заметно ухудшилось — эксплуата­ ционная оценка снизилась почти на один балл. Это означает, что, помимо явлений, имевших место на предыдущих участках, здесь воз­ никли также пластические смещения в подстилающем одежду грунте либо в гравийном материале нижнего слоя основания. В дальнейшем, однако, состояние одежды на этом участке практически стабилизиро­ валось. По-видимому, такая дорожная одежда выдержит до капиталь-

1 При сдаче опытных участков в эксплуатацию состояние их было оценено' баллом, близким к 4, 5,

72

ного ремонта несколько миллионов нагрузок, хотя эксплуатационные качества ее будут не столь высоки, как у конструкций, работающих в стадии только обратимых деформаций. Подобная закономерность изменения эксплуатационных качеств характерна для одежд, которые работают в стадии малых пластических деформаций.

Наконец, дорожная одежда, у которой верхний слой основания имел толщину 16 см, работала в упруго-пластической стадии дефор­ мирования. После 700 тыс. нагрузок уже требовался капитальный ремонт (балл 2,5), а после миллиона — не обеспечивалось нормальное движение (балл 1,5).

Аналогичный характер изменения эксплуатационных качеств наблю­ дали в опытах AASHO и на одеждах иных конструкций. Так, одежда, имевшая асфальтобетонное покрытие толщиной 10 см, щебеночное основание 46 см и подстилающий слой из гравийного материала 20 см, испытывавшаяся проездом автомобилей с нагрузкой на ось 13,6 Т, работала в стадии обратимых деформаций. А такая же дорожная одеж­ да, но имевшая толщину щебеночного основания 30 см, работала при том же движении уже в упруго-пластической стадии.— после 700 тыс. нагрузок требовался капитальный ремонт.

Одежда с асфальтобетонным покрытием толщиной 10 см, щебеноч­ ным основанием 40 см и подстилающим слоем толщиной 20 см из гравийного материала при нагрузке на ось автомобиля 10,9 Т обладала практически стабильными эксплуатационными качествами, а та же конструкция, но при толщине щебеночного основания 26 см при тех же нагрузках на ось потребовала капитального ремонта после полу­ миллиона проходов.

Здесь приведены лишь отдельные примеры из материала, получен­ ного в опытах AASHO и других аналогичных испытаний. Все экспе­ риментальные данные, равно как и огромный опыт службы одежд на эксплуатируемых дорогах, подтверждают резко отличающиеся экс­ плуатационные качества дорожных конструкций, работающих в раз­ ных стадиях деформирования. Но данные, полученные в испытаниях AASHO, пожалуй, впервые позволяют не только качественно, но и в количественном выражении оценить влияние степени прочности одежды на условия ее работы под движением. Дальше этому очень важному вопросу уделяется большое внимание. Здесь можно лишь отметить, что снижение толщины одежды всего лишь приблизительно на 20% влечет переход конструкции из стадии упругого деформирова­ ния в стадию упруго-пластическую со всеми вытекающими отсюда последствиями в части сокращения межремонтных сроков и резкого снижения эксплуатационных качеств.

надежных и в то же время экономичных без чрезмерного запаса проч­ ности конструкций дорожных одежд нежесткого типа. Только рас­ полагая таким методом, возможно правильно учесть при проектиро­ вании влияние всего многообразия факторов на работу дорожной конструкции.

73

§11.6. Предлагаемые критерии предельного состояния

ирасчетные схемы

достаточно эффективными лишь в том случае, если ими в должной мере учтены основные физические явления, возникающие в конструк­ ции при воздействии на нее нагрузок и природных факторов. Только если расчетная схема и критерии предельного состояния, заложенные в методику расчёта, правильно отражают действительное напряженное состояние, а также природу и характер деформаций, имеющих место в отдельных элементах конструкций, можно ожидать удовлетворитель­ ного соответствия между результатами расчета и поведением дорож­ ной одежды в эксплуатации.

Дорожная одежда непрерывно подвергается воздействию по­ вторных нагрузок от движущихся автомобилей, поэтому при выборе расчетной схемы и критериев предельного состояния нужно обязатель­ но учитывать процессы, протекающие в конструкции при многократ­ ном нагружении.

В зависимости от характера эксплуатационных требований, предъ­ являемых в каждом отдельном случае к дорожной конструкции, долж­ на быть обеспечена работа ее в той или иной стадии деформирования [31,41,51]. Вряд ли нужно доказывать, что одежды с покрытиями ка­ питального типа на дорогах высших категорий, к которым предъяв­ ляют высокие требования в отношении ровности и долговечности, должны проектироваться таким образом, чтобы на них не возникали остаточные деформации под действием эксплуатационных нагрузок.

Только при условии, если дорожная одежда работает в стадии обратимых деформаций при всех возможных состояниях влажности и температурах, может быть гарантировано .сохранение в течение дли­ тельного срока высоких эксплуатационных качеств. Возникновение тех или иных остаточных деформаций, вызванных пластическими сме­ щениями в одном из элементов конструкции, означает в данном случае переход последней в запредельное состояние со всеми вытекающими последствиями в смысле снижения эксплуатационных качеств и со­ кращения межремонтных сроков. Поэтому обязательным критерием прочности при расчете таких конструкций следует считать достижение местного предельного равновесия по сдвигу в подстилающем одежду грунте или в слабосвязном материале одного из конструктивных слоев.

Но одного этого условия еще недостаточно. Дело в том, что в мо­ нолитных слоях дорожной одежды — из укрепленных цементом мате­

в связи с этим существенно возрастут напряжения в нижележащих элементах конструкции, могущие вызвать развитие здесь не преду­ смотренных расчетом пластических смещений.

74

Поэтому при проектировании одежд с усовершенствованными по­ крытиями надо обязательно соблюдать условие, гарантирующее со­ хранение сплошности монолитных слоев одежды.

Одежды с капитальными покрытиями следует рассчитывать на наиболее высокие нагрузки из возможных к обращению в расчетное время года. Что касается интенсивности движения, она здесь имеет подчиненное значение, поскольку накопления деформаций не проис­ ходит. Однако повторяемость нагрузок нужно учитывать при назна­ чении расчетных характеристик материалов, а также грунтов, в кото­ рых проявляются усталостные и другие явления (тиксотропные изме­ нения и т. п.), влияющие на сопротивляемость их нагрузкам.

К одеждам с усовершенствованными облегченными покрытиями предъявляют также достаточно высокие требования в отношении экс­ плуатационных качеств. Но, принимая во внимание менее высокие рас­ четные скорости на таких дорогах, а также более короткие сроки между восстановительными ремонтами, здесь целесообразно несколько облег­ чить конструкцию по сравнению с одеждами капитального типа.

Одежды с усовершенствованными облегченными покрытиями воз­ можно проектировать на работу в стадии малых пластических дефор­ маций, когда лишь в особо неблагоприятные периоды так называемых расчетных годов можно ожидать образование сравнительно небольших остаточных деформаций. Вообще вопрос оптимальной прочности такого рода одежд следует решать исходя из технико-экономических сообра­ жений, так как со снижением прочности уменьшается размер первона­ чальных капиталовложений, но зато возрастают эксплуатационные затраты в связи с сокращением межремонтных сроков.

Одежды с покрытиями переходного типа — из гравийных и подоб­ ных им материалов, из смесей с жидкими вяжущими, ровность которых можно поддерживать на необходимом уровне простейшими средствами: утюжкой, профилированием, — а также одежды на временных доро­ гах целесообразно проектировать на работу в упруго-пластической стадии. Предельным состоянием в данном случае является образование максимально допустимой по величине накопленной за срок службы деформации. При расчете таких одежд наряду с величиной нагрузки на колесо большое значение имеет также интенсивность движения.

Различными будут и расчетные схемы при проектировании дорог разных категорий.

Для характеристики напряженно-деформированного состояния до­ рожных конструкций, работающих в стадии весьма малых, практически полностью обратимых деформаций, когда отсутствуют пластические смещения и сохраняется сплошность монолитных слоев, могут быть использованы законы теории упругости, в частности, имеющиеся реше­ ния задачи о напряжениях и деформациях упругих слоистых систем под действием осесимметричной нагрузки (гл. 5).

Иное положение с конструкциями, работающими в упруго-пла­ стической стадии. Здесь под действием нагрузок наряду с обратимыми возникают также остаточные деформации, обусловленные пластиче­ скими смещениями. Закономерности накопления деформаций в данном случае зависят не только от величины нагрузки, но также от времени

75

ее действия и числа приложений. Поэтому для описания напряженнодеформированного состояния конструкций, работающих в. упругопластической стадии, необходимо привлекать уже законы деформиро­ вания упруго-вязко-пластических сред.

Из изложенного очевидно, что не может быть единого метода рас­ чета дорожных одежд нежесткого типа, который с необходимой под­ робностью позволял бы учитывать при проектировании главнейшие

деформаций. В качестве расчетной схемы здесь используется модель слоистого упругого полупространства. За критерии предельного со­ стояния принимают в данном случае: достижение местного предельного равновесия по сдвигу в подстилающем грунте или в слабосвязных материалах одежды; возникновение предельно допустимых растяги­ вающих напряжений при изгибе в монолитных слоях одежды.

Второй метод предназначен для дорожных одежд, проектируемых на работу в упруго-пластической стадии. Предельное состояние в дан­ ном случае — накопление максимально допустимой деформации. При расчетах здесь должны учитываться упруго-вязко-пластические свой­ ства грунта и материалов.

Что касается дорожных одежд с облегченными усовершенствован­ ными покрытиями, здесь, вообще говоря, могут найти применение оба приведенные выше метода: на начальном этапе, когда возникают оста­ точные деформации, — второй метод, а в дальнейшем, после упрочнения конструкции, — первый.

Для создания в должной степени обоснованных методов назначе­ ния конструкций нежестких дорожных одежд всех категорий требует­ ся достаточно длительное время, поэтому встает вопрос об очередности разработки отдельных методов.

Для проектирования важен надежный метод назначения конструк­ ций одежд с капитальными и с усовершенствованными облегченными покрытиями, затраты на сооружение которых велики, а требования к эксплуатационным качествам достаточно высоки, возобновление и последующее усиление которых сопряжено со значительной потерей сделанных уже капиталовложений. Поэтому здесь в первую очередь необходим метод расчета, гарантирующий безусловную надежность и в то же время достаточную экономичность проектируемых одежд.

Возможные ошибки в назначении конструкции одежд с переход­ ными покрытиями могут быть легко исправлены путем последую­ щего усиления либо за счет более интенсивного содержания и ремонта.

Такая очередность диктуется и современным состоянием наших знаний в смежных областях. Теория слоистых упругих систем в послед­ ние годы трудами отечественных и зарубежных ученых разработана в такой мере, что ее уже можно с успехом использовать для решения практических задач, тогда как для создания метода расчета дорожных одежд, работающих в упруго-пластической стадии, приходится привле­ кать законы деформирования слоистых упруго-вязко-пластичных

76

сред, разработанные пока несравненно слабее. Этим объясняется, что основное внимание на настоящем этапе уделено созданию обосно­

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД, РАБОТАЮЩИХ В СТАДИИ ОБРАТИМЫХ ДЕФОРМАЦИИ

§ 11.7- Ранее проведенные исследования

Важные исследования напряжений в земляном полотне автомо­ бильных дорог проводили в 30-х годах В. Ф. Бабков, А. К. Бируля, В. Г. Булычев, Н. Н. Иванов, А. А. Иноземцев, Г. И. Покровский, М. Я. Якунин и др. Согласование теории и опыта в этих исследованиях производили путем введения в формулы Буссинеска коэффициента концентрации напряжений или методом эквивалентного слоя. Уточ­ ненные теоретические формулы позволяли вычислять вертикальные напряжения и перемещения лишь по оси действующей нагрузки. Но и это было значительным шагом вперед, давшим возможность создать метод расчета Союздорнии, основывающийся в качестве критерия

и методов расчета дорожных одежд на базе новых предложений о кри­ териях предельного состояния возникла необходимость в исследова­ нии всех составляющих напряжения и перемещения в любой точке слоистой конструкции. Для этого потребовались функциональные зависимости, пригодные для инженерных расчетов. Такого рода зави­ симости, в которых содержатся только элементарные функции, были

такте верхнего слоя (плиты) и подстилающего полупространства от­ сутствует трение (гладкий контакт). Другой крайний случай сопряже­ ния слоев характеризуется непрерывностью перемещений на границе слоя и подстилающего полупространства (спаянные слои). Этому слу­ чаю соответствуют решения осесимметричной задачи о двухслойном упругом полупространстве, полученные независимо Д. Бурмистером й

Р. М. Раппопортом, а затем развитые Б. И. Коганом. Однако сложность

ивесьма большая трудоемкость вычислений сдерживали использова­ ние этих решений, пока они не были реализованы применительно к па­

77

и касательных напряжений, возникающих в подстилающем полу­

На основе данных о вертикальных перемещениях по оси действую­ щей нагрузки П. И. Теляевым построена номограмма для определения

Рис. 11.11. Номограмма для определения общего модуля упругости Е0бщ двух­ слойных конструкций (цифры на кривых обозначают отношение модуля упруго­ сти двухслойной системы £овщ к модулю упругости верхнего слоя С в )

78

общего модуля упругости £ о б щ двухслойных конструкций (рис. 11.11).

Обстоятельством, сдерживавшим практическое использование ре­ шений теории упругости, явилось также наличие различных взглядов в части правомерности применения этих решений для расчета дорож­ ных одежд, особенно нежесткого типа. В общем если иметь в виду дорожные одежды нежесткого типа в широком разнообразии их кон­ струкций и условий работы, то наличие разных мнений, несомненно, оправдано. Но в данном случае речь идет только об одеждах капиталь­ ного типа, работающих под действием многократных нагрузок в стадии обратимых деформаций, величины которых крайне невелики.

В этих условиях в диапазоне расчетных нагрузок для водосвязных материалов основания и грунтов, как показали исследования, сохра­ няется линейная зависимость между напряжениями и деформациями. Динамические модули упругости для этих сред практически не отли­ чаются или отличаются очень мало от статических.

Что касается материалов, содержащих органическое вяжущее, их поведение при нагружении не подчиняется целиком указанным зако­ номерностям, характерным для водосвязных сред, однако исследова­ ния показывают, что под' действием кратковременных нагрузок эти материалы деформируются как сплошное изотропное упругое тело.

Чтобы выяснить, в какой степени теоретические решения соответ­ ствуют фактическим значениям напряжений и перемещений в реальных дорожных конструкциях, были проведены экспериментальные ис­ следования.

§ П.8. Экспериментальные исследования

Экспериментам по измерению напряжений в грунтах посвящено большое количество работ [1—5, 7, 9, 13, 21 и др.]. Были измерены напряжения в земляном полотне по оси действия нагрузки от стоя­ щего на покрытии и движущегося с различными скоростями автомоби­ ля [4, 21]. Определены также напряжения в грунтовом основании двухслойных моделей с верхним слоем из укрепленного битумом или цементом грунта и грунтощебня [5, 7, 13], а также из грунтощебня без специального вяжущего.

Значительные по объему эксперименты были проведены еще в 1936— 1939 гг. на конструкциях, характерных для того периода, с исполь­ зованием применяемой в то время аппаратуры. Полученные результаты измерения не могли быть в должной мере сопоставлены с данными

79