книги / Проектирование автомобильных дорог. Ч. 1

Рис. 16.13. Примеры конструкций дорожных одежд, рассчитанных по методу ХАДИ:

1 — двухслойный асфальтобетон; 2 — щебень, обработанный органическими вяжущими в установке; 3 — сортированный по крупности щебень; 4 — подобранная щебеночная смесь, -обработанная органическими вяжущими; 5 — грунт, укрепленный добавками щебня н обра­ ботанный вяжущими; 6 — не сортированный по крупности , щебень; 7 — грунт, укрепленный добавками щебня; 8 — грунт, обработанный органическими вяжущими; 9 — грунт, укреп­

ленный малыми добавками щебня

Построив теоретическую эпюру распределения модуля упругости по глубине {см. рис. 16.11, б), размещают на ней слон разных материалов таким образом, чтобы в середине толщины каждого слоя значение модуля равнялось модулю этого материала. Площадь ступенчатой эпюры модулей дорожной одежды дол­ жна равняться площади, ограниченной теоретической кривой. На рис. 16.13 при­ ведены три варианта дорожной одежды с общим модулем £ ’ 0 б щ = 218 МПа при суммарной толщине 75 см.

16.4. Проверка несвязных слоев дорожной одежды на устойчивость против сдвига

При действии расчетной нагрузки в слоях дорожной одежды, не обладающих большой связностью, не должно возникать явлений сдвига, приводящих к деформациям дорожных одежд. Условия ус­ тойчивости против возникновения сдвигов в некоторой точке конст­ руктивного слоя из несвязных материалов выражаются зависи­ мостью Кулона.

где Ттах — максимальное касательное напряжение; ст— нормальная состав­ ляющая напряжений к площадке, по которой действуют максимальные касатель­ ные напряжения; <р — угол внутреннего трения несвязного материала; с — сцеп­ ление.

Левую часть преобразованного выражения тШах—fftg<p = r aKTна­ зывают активным напряжением сдвига.

331

Наибольшее значение активное напряжение сдвига имеет обыч­ но под центром нагруженной площадки, на контакте между слоя­ ми или несколько ниже.

Активное напряжение сопротивления сдвигу от временной на­ грузки, соответствующее согласно критерию прочности Мора ус­ ловию предельного равновесия в наиболее напряженной точке под­ стилающего одежду грунта под центром отпечатка колеса, выра­ жается зависимостью

I

где Ci, аз — максимальное и минимальное главные напряжения в данной точ­ ке, определяемые после приведения дорожной одежды к эквивалентной двух­ слойной; ф — угол внутреннего трения.

На активное напряжение сдвига оказывает также влияние соб­ ственный вес слоев дорожной одежды, расположенных выше рас­ сматриваемого. Для учета этого фактора вводится поправка тв- В зависимости от угла внутреннего трения и толщины одежды она может быть как положительной, так и отрицательной.

Таким образом, за критерий устойчивости одежды против сдви­ га принимается окончательное условие

коэффициенты запаса; k\ — снижение сцепления с при кратковременном импуль­ сивном приложении подвижной нагрузки (&i = 0,6 при кратковременных нагруз­ ках, A*i = 0,91при длительном действии нагрузок с малой повторностью нагруже­ ния); k2— коэффициент запаса, учитывающий нарушение технологии строитель­ ства, особо неблагоприятные условия погоды. В зависимости от интенсивности движения он меняется от 1,23 при проезде менее 50 авт./'сут до 0,55 при 5000 авт./сут; k3— коэффициент, учитывающий особенности работы разных грун­ тов в конструкции дорожной одежды. Для песков в зависимости от их крупно­ сти £3=3,о4-7,0; для глинистых грунтов Л3= 1,5.

На рис. 16.14 представлена номограмма для определения актив­ ного напряжения сдвига хакт от единичной нагрузки (р=1) для случая совместной работы слоев в зоне контакта. Для учета влия­ ния веса дорожной одежды дана вспомогательная номограмма (рис. 16.15). Коэффициенты Пуассона ц приняты для материалов дорожной одежды 0,25 и грунта 0,35.

Проверку на устойчивость конструктивного слоя на сопротив­ ление сдвигу ведут следующим образом:

определяют средний расчетный модуль упругости слоев, рас­

на которых соответственно равна hi, h2.

332

Рис. 16.14. Номограмма для расчета двухслойных дорожных одежд при свобод­ ном смещении слоев в плоскости контакта (при ЛД>=0ч-4)

Расчеты показали, что напряженное состояние, вычисленное ис­ ходя из этой предпосылки, обычно близко к рассчитанному по точ­ ным способам;

вычисляют допустимое сопротивление сдвигу Тлои по уравнению- (16.13).

m

Находят по номограмме (см. рис. 16.11) максимальное удельное

.активное напряжение сдвига т аКт в проверяемом слое исходя из из­ вестных отношений 2 h/D и Еср/Егр и угла внутреннего трения <р и вводят к нему поправку на влияние веса дорожной одежды (см. рис. 16.15).

Сопоставляя активное сопротивление сдвигу с вычисленным по ■формуле (16.11) допускаемым, судят о том, правильно ли назна­ чена конструкция одежды.

Если расчет указывает на возможность появления пластических сдвигов, необходимо изменить толщину или жесткость вышележа­ щих слоев или использовать в проверяемом слое материал с боль­ шим сопротивлением сдвигу.

Оценку устойчивости слоев из слабосвязных гравийных и пес­ чаных материалов, из материалов и грунтов, укрепленных жидким вяжущим, рассчитывают аналогичным методом*. При этом коэф­ фициент къ принимают равным 1,5.

16.5.Проверка на растягивающие и сдвигающие напряжения

всвязных слоях дорожной одежды

При прогибе дорожной одежды в ее отдельных слоях могут воз­ никать растягивающие напряжения, приводящие к образованию трещин.

Для определения напряжений в связном слое, лежащем на упругом полупространстве, д-ром техн. наук М. Б. Корсунским предложена формула

(рис. 16.17), которая связывает относительную толщину покрытия h/D, отношение модуля упругости материала покрытия к общему модулю на поверхности подстилающего покрытие основания ^,/Еоб.осн с максимальным растягивающим напряжением при изги- ■бе в материале покрытия а'т от распределенной по круглой пло­ щадке нагрузки, равной 1 МПа.

В запас прочности номограмма исходит из наиболее опасного случая, когда отсутствует сцепление покрытия с основанием.

334

Проверку проводят следую­ щим образом:

находят общий модуль упру­ гости £ 0б.осн конструктивных СЛО- ев одежды, подстилающих покры­ тие по номограмме (см. рис. 16.9);

щих слоев дорожной одежды, а расположенные ниже слои приводят к эквивалентному полупрост­ ранству.

Асфальтобетонные покрытия также проверяют на сдвиг по ме­ тодике, аналогичной описанной (см. п. 16.4), с использованием спе­ циальных номограмм.

Следует иметь в виду, что изменение в результате одной из про­ верок толщины какого-либо из слоев вызывает необходимость конт­ рольного перерасчета одежды в целом.

16.6. Расчет толщины дорожных одежд из условия предупреждения деформаций при промерзании

В северных и центральных районах Советского Союза, для ко­ торых характерно избыточное увлажнение и глубокое зимнее про­ мерзание, должна быть обеспечена устойчивость дорожных одежд для всех типов против нарушения ровности при неравномерном вспучивании грунтов земляного полотна. Проверку проводить из­ лишне, если земляное полотно на всю глубину промерзания состо­ ит из непучинистых и слабопучинистых грунтов или толщина до­ рожной одежды превышает 2/3 глубины промерзания.

33&

Процессы зимней миграции влаги, рассмотренные в п. 7.4, приводят к накоплению и замер­ занию воды в порах грунта, вы­ зывая неравномерные поднятия покрытия и нарушение его ров­ ности, а в бетонных покрытиях появление трещин и ступеней между плитами. При весеннем оттаивании грунта может проис­ ходить разрушение покрытия при проездах тяжелых автомобилей.

Расчеты дорожных одежд с учетом деформаций вспучивания основаны на теории зимнего влагонакопления в земляном полот­ не. Определенное расчетом вспу­ чивание грунта земляного полот­ на и морозозащитного слоя дол­ жно быть меньше вспучивания, допускаемого покрытием.

Максимальное, без разрушения неравномерное вспучивание не­ жестких дорожных одежд определяют исходя из простейшего долущения, что вспучившийся участок образует цилиндрическую по­ верхность. При допустимом удлинении материала покрытия еДоп минимальный радиус кривизны вспучивания дорожной одежды мо­ жет быть определен из схемы на рис. 16.18.

Из подобия треугольников CDE и АВО

где Н — общая толщина каменных слоев дорожной одежды, см.

Неравномерное вспучивание захватывает только часть общей (ширины проезжей части L/m.

По данным наблюдений за процессом зимнего пучения на доро­ гах т = 2 при относительно благоприятных гидрогеологических ус­ ловиях и т= 1 ,5 на участках дорог, проходящих по косогорам, при высоком уровне грунтовых вод.

Из геометрических соображений

/пред = 1/4Я ( L / m ) 2.

Подставляя в это выражение значение R из уравнения (16.16), получаем предельное значение неравномерного вспучивания покры-

336

т и я , п о с л е к о т о р о г о м о ж е т н а с т у п и т ь его р а з р у ш е н и е ,

Для асфальтобетона еДОп=0,0010.

Расчетную высоту пучения определяют для каждого участка до­ роги, отличающегося по гидрогеологическим условиям от смежных. Для 1-го типа местности по условиям увлажнения пучение проверя­ ют только при пылеватых грунтах.

При проверке дорожных одежд на устойчивость против мороз­ ного пучения считают, что допустимое неравномерное вспучивание /доп не должно превышать 0,2—0,6 предельного для дорожной одеж­ ды и составляет для II и III дорожно-климатических зон СССР:

Согласно п. 7.4 пучение зависит от количества Q воды, нахо­ дящейся в толще промерзшего слоя, и составляет

/п у ч = 1 1 IQ-

Значение Q может быть определено по формулам Н. А. Пузакова (см. п. 7.4).

В местах с глубоким залеганием грунтовых вод (1-й и 2-й типы местности по условиям увлажнения) значение /пу, можно опреде­ лить по упрощенной формуле

ги, которую можно принимать по приведенным в Строительных нормах н пра­ вилах нормативным картам глубин промерзания для закладки фундаментов со­ оружений, увеличивая ее на 0,5 м для учета большей глубины промерзания до­ роги, очищаемой от снега, по сравнению с прилегающей местностью. Она также может быть определена по формуле Н. А. Пузакова (см. п. 7.4):

коэффициент, учитывающий гидрогеологические условия местности (для сырых участков с необеспеченным водоотводом р=1,5, для сухих участков Р = 1 ); у — коэффициент, учитывающий тип земляного полотна (для насыпей с рабочей от­ меткой ^ 1 м v = l , для малых насыпей и выемок у = 1,5),

Если определенное расчетом пучение превышает допустимое, в дорожную одежду должен быть введен дополнительный слой из не

подверженных пучению (морозоустойчивых) материалов (песка, гравия, щебня, шлака) или проложен теплоизоляционный слой. Этот слой должен как бы заменить часть промерзающего грунта, дающую избыточную высоту пучения.

Ее толщина определится из условия

Поскольку материалы дорожной одежды и морозозащитных слоев отличаются по теплопроводности от грунта земляного полот­ на, для определения необходимой толщины морозозащитного слоя следует найти ее значение, эквивалентное избыточной толщине про­ мерзающего слоя в отношении распространения тепла.

Если не учитывать скрытую теплоту замерзания грунтовой во­ ды, то по формуле толщин, эквивалентных по теплопередаче слоев двух разных материалов [см. ч. 2, формула (28.14)]

Ai =

где X], Яг— коэффициенты теплопроводности материалов дорожной одежды н земляного полотна, Вт/(м-К). Они составляют 1,74 для цементобетона, 1,4— 1,0 для асфальтобетона, 1,9 для гравия и щебня, 0,46 для топочного шлака, 1,9— 2,2 для песка, 1,8—2 для супеси, 1,6—2 для суглинков и глины. Для грунтов меньшие значения относятся к положительным, большие — к отрицательным тем­ пературам. Грунты находятся во влажном состоянии.

Необходимая суммарная толщина дорожной одежды и моро­

При высоком стоянии уровня грунтовых вод на глубине h от по­ верхности (3-й тип местности по условиям увлажнения) пучение может быть найдено из выражения /ny4= l,lQ , где количество на-

338

капливающейся в земляном полотне влаги может быть определе­ но по предложенной Н. А. Пузаковым зависимости (7.14)._____

Учитывая в ней, что глубина промерзания 2пром = у г2а0°с7\ и, обозначив через I произведение 2kK(WK—W0) t зависящее только от свойств грунта, то уравнению (7.14) можно придать вид

где Я г. в — глубина уровня грунтовых вод от поверхности проезжей части.

Коэффициент <р = 0,7 введен на основе опыта для учета неравно­ мерности образования прослоек льда на разных глубинах зоны промерзания. Для супесей I ориентировочно равно 50, для глиньг— 300.

Необходимая суммарная толщина каменной части покрытия и морозозащитного слоя по аналогии с уравнением (16.19), учитывая, что /доп= Кп?пром/ЮО, определится из выражения

16.7. Расчет толщины дренирующих слоев дорожной одежды

В зимний период в связи с процессами миграции влаги из ниж­ них теплых слоев грунта к границе промерзания в морозозащит­ ном слое дорожной одежды и подстилающем грунте накапливается вода, образующая ледяные линзы и прослойки. На участках с не­ благоприятными гидрогеологическими условиями ее количество [см. уравнение (7.11)] может быть относительно большим.

Весной грунт под темной проезжей частью оттаивает быстрее, чем на обочинах, покрытых снегом. Вода, накопившаяся в грунте за зиму в результате процессов зимнего перемещения влаги, вы­ жимается вверх в песчаное основание. Поверхность мерзлого грун­ та приобретает вогнутое очертание, образуя так называемый дон­ ник, в котором скапливается выделяющаяся при оттаивании ледя­ ных линз грунтовая вода, лишенная возможности просачиваться вниз (рис. 16.19).

При проезде автомобилей в переувлажненном подстилающем грунте возникают гидродинамические напоры, сопротивление грун­ та сдвигу снижается, что может явиться причиной разрушения до­ рожных одежд. Поэтому в конструкции дорожной одежды должна быть предусмотрена возможность своевременного отвода выделив­ шейся воды через дренирующие слои из хорошо фильтрующих ма­ териалов— песка, щебня и отгрохоченного гравия, имеющих ко­ эффициент фильтрации не менее 1 м/сут.

Рис. 16.19. Неравномерное оттаива­ ние земляного полотна:

Методика расчета толщины дренирующих слоев предложена проф. А. Я. Тулаевым. Она исходит из наиболее сложного весен­ него периода их работы, когда основание под серединой проезжей части оттаяло, а у краев еще находится в мерзлом состоянии, и во­ доотводные устройства не работают.

Количество воды, поступающей в основание дорожной одежды в период оттаивания, складывается из воды, выделяющейся при оттаивании грунта под проезжей частью и обочинами, а также воды, просачивающейся в поверхностные слои грунта через трещины и швы покрытия и обочины во время весенних дождей. Скорость от­ таивания грунта земляного полотна под проезжей частью во II и III дорожно-климатических зонах может достигать 5 см в день. Скорость оттаивания обочин меньше и составляет в среднем 3 см. В результате отвод воды из донника задерживается на 3—6 дней в зависимости от климатического района. Поэтому конструкция дре­ нирующего слоя должна обеспечивать размещение в порах песка Всей воды, накапливающейся за этот период.

Оттаявший грунт земляного полотна может удержать количе­ ство воды, равное примерно 0,75 от влажности границы текучести. Поэтому избыток выделившейся воды отжимается вверх в песча­ ное основание. Поскольку трудно установить количество воды, вы­ деляющейся на каждом конкретном участке и поступающей через дорожную одежду и обочины, при расчетах пользуются установлен­ ными* из наблюдений средними значениями суммарного среднесу­ точного притока воды в основание q [в л/(м2-сут)]. Приток воды (в литрах) в пористое основание дорожной одежды с 1 м2 проезжей части за сутки указан в табл. 16.5.

При расчетах песчаных оснований в среднесуточный приток во­ ды вводят поправочные коэффициенты, учитывающие неравномер­ ность оттаивания и выпадения дождей кп и снижение фильтраци­ онной способности песка в результате загрязнения в процессе служ­ бы дороги (коэффициент гидрологического запаса) kT. В зависи­ мости от грунта, климатической зоны и типа увлажнения значение kn составляет 1,3—1,7. Коэффициент kT для непылеватых грунтов равен 1, для пылеватых— 1,1—1,3.

fla начальном этапе проектирования дорожной одежды толщину песчаного основания назначают конструктивно или по соображе­ ниям морозоустойчивости. Затем ее проверяют на размещение в по­ рах воды, поступающей за период от начала оттаивания до начала работы отводящих дренажных устройств, и на возможность ее от­ вода через песчаный слой. При этом следует учитывать, что полное заполнение пор может быть допущено только в нижней части пес-

340