4.3. Прочность и деформация дорожной одежды

Прочность дорожной одежды является наиболее важным показателем транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги, который необходимо регулярно оценивать в течение всего срока ее службы.

Прочностные качества дорожной одежды определяются прежде всего сопротивляемостью подстилающего грунта сжатию. Дорожная одежда должна распределять действующую на нее нагрузку от колеса автомобиля по возможности на большую площадь и предупреждать проникание воды, которая значительно ослабляет прочность грунтового основания.

Возможны три случая деформации дорожного покрытия в зависимости от прикладываемой нагрузки.

Если нагрузка невелика, а слои дорожной одежды и земляного полотна хорошо уплотнены, то дорожная одежда не разрушается и происходят только упругие деформации, т.е. дорожная одежда под действием нагрузки прогибается и после проезда автомобиля возвращается в прежнее положение.

При возрастании нагрузки или при временном снижении прочности грунтов основания в весенний или осенний периоды возникают постепенно накапливающиеся пластические малые деформации. В случае, если их суммарное значение за период ослабленного состояния дорожной одежды превысит некоторые предельные значения, дорожная одежда разрушится.

Прочность одежды зависит от предельно допустимого прогиба, и также от количества приложений нагрузки за период ослабления дорожной одежды.

При очень больших нагрузках или при значительном ослаблении прочности грунта основания вначале замедленно накапливаются деформации, которые в дальнейшем быстро возрастают, в результате чего происходит полное разрушение дорожной одежды.

При действии давления от колеса основание дорожной одежды сжимается в пределах активной зоны (зоны, в которой возможно перемещение грунта) и происходит прогиб дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с образованием так называемой «чаши прогиба» (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Виды деформаций и разрушений дорожной одежды (по В.Ф. Бабкову):

1 – чаша прогиба: 2 – зона сжатия одежды; 3 – зона растяжения; 4 – поверхность среза одежды; 5 – площадь передачи давления на грунт; 6 – уплотнение грунта в основании дородной одежды; 7 – направление сжатия грунта; 8 – направление выпирания грунта; 9 – трещины в дорожной одежде; 10 – деформация дорожной одежды.

Давление, передаваемое на грунтовое основание, зависит от площади, на которую распределяется нагрузка. С увеличением толщины дорожной одежды эта площадь увеличивается, а давление соответственно уменьшается. В весенний или осенний период, когда вследствие большого переувлажнения снижается прочность грунта, существующая толщина дорожной одежды не обеспечивает безопасное давление, и при проезде очень тяжелых автомобилей могут возникнуть проломы дорожной одежды.

В связи с этим в течение двух-трех наиболее неблагоприятных недель дорожники закрывают движение тяжелых автомобилей.

При действии нагрузки (см. рис. 4.4) происходят сжатие 2 и доуплотнение дорожной одежды, а в нижней части дорожной одежды – растяжение 3.

При превышении предельной прочности материалов верхних или нижних слоев дорожной одежды образуются трещины 9.

По периметру зоны контакта шины колеса с покрытием действуют срезывающие напряжения 4, которые могут приводить при слабом основании и тонкой дорожной одежде к ее пролому или выкалыванию отдельных ее частей.

Таблица 4.2

Интенсивность, авт./сут., приведенная к расчетному автомобилю и нагрузке 105 Н	Прогиб дорожных покрытий, мм
	капитальных	облегченных	переходных
100	1,15	1,45	1,85
200	1,03	1,27	1,68
300	0,92	1,10	-
1000	0,85	-	-
2000	0,78	-	-
5000	0,73	-	-
10000	0,69	-	-

В нижних слоях дорожных одежд из малосвязных и несвязных материалов и в грунтовых основаниях могут возникать необратимые деформации (так называемые пластические течения), развитие которых приводит к накоплению деформаций дорожной одежды и ее разрушению.

Предельно допускаемые прогибы приведены в табл. 4.2.

Вероятность появления деформаций связана с одновременным действием нагрузки от колеса и климатических факторов (влажности и температуры). При эксплуатации автомобильных дорог все деформации протекают вначале скрытно и трудно предвидеть их развитие. Поэтому необходимо проводить профилактический контроль прочности дорожной одежды в неблагоприятные периоды года с целью разработки мероприятий по предупреждению разрушения.

Прочность дорожной одежды характеризуют модулем длительной упругости

, (4.12)

где р – давление на дорожное покрытие от колеса автомобиля;

D – диаметр площади круга, равновеликого площади контакта с покрытием;

l_y – относительная упругая деформация (прогиб).

Величина pD – постоянная для расчетного автомобиля, поэтому для определения модуля упругости Е_у и оценки по его значению прочности дорожной одежды достаточно определить прогиб l_y.

Наиболее простым прибором, применяемым для оперативного определения l_y, является прогибомер МАДИ-ЦНИЛ Гушосдора (рис. 4.5,а). Нагрузка создается от колеса расчетного грузового автомобиля, например, МАЗ-500. Прогиб l_y измеряют путем установки иглы прогибомера в центре (под осью) между спаренными колесами расчетного грузового автомобиля. Предварительно автомобиль взвешивают и определяют нагрузку на колесо.

Кроме того, применяется также установка динамического нагружения (рис. 4.5,б), которая позволяет фиксировать чашу прогиба при действии динамической нагрузки. Работа прибора основана на сбрасывании груза (обычно весом 1000 Н) с заданной высоты с одновременным измерением деформации.

Для непрерывного автоматического измерения прогиба в разных странах создан ряд конструкций специальных автомобилей-лабораторий. В СССР такие ходовые лаборатории созданы в Харьковском и Московском автомобильно-дорожных институтах, они обеспечивают измерение со скоростью передвижения до 10 км/ч.

В СССР для широкого практического использования рекомендована ходовая лаборатория МАДИ (УДННК) (рис. 4.6,а), которая прошла всесторонние испытания. Эта лаборатория позволяет выполнять измерения со скоростью 10 км/ч. Принцип измерения модуля упругости этой лаборатории тот же, что и на установке динамического загружения. Особенностью лаборатории являются простота конструкции, удобство использования на практике, низкая стоимость.

В последние годы во Франции разработана конструкция ходовой лаборатории – курвиметр СЕВТР (рис. 4.6,б). Прогиб измеряется с помощью непрерывной мерной ленты, проходящей между спаренными задними колесами в момент движения автомобиля-лаборатории. На ленте установлены специальные измерительные преобразователи. Максимальная рабочая скорость лаборатории 18 км/ч.

Рис. 4.6. Схемы ходовых лабораторий для непрерывной автоматической регистрации прочности дорожной одежды с высокими скоростями движения:

а – лаборатория МАДИ (УДННК); б – французская лаборатория: 1 – падающий груз; 2 – пружина; 3 – спаренные пневматические колеса; 4 – измерительное колесо; 5 – блок приборов регистрации и обработки данных измерений; 6 – устройство для автоматического подъема груза; 7 – лента, перемещающаяся со скоростью движения автомобиля: 8 – датчики прогиба; 9 – считывающее устройство; 10 – груз.

По значению прогиба, полученному этими лабораториями, определяют фактический модуль упругости дорожной одежды. Для оценки прочности нежестких дорожных одежд используют следующие показатели: максимальный прогиб l_y, мм; радиус кривизны поверхности дорожного покрытия r; произведение l_y·r. Основной сравнительной характеристикой является статистическая оценка максимальных прогибов на измеряемом участке автомобильной дороги.

Прочность жестких дорожных одежд оценивают:

максимальным динамическим прогибом l_y под воздействием падающего груза (амортизированный удар) прибора ударного типа;

максимальным радиусом кривизны покрытия r при воздействии динамической нагрузки (амортизированный удар);

максимальным напряжением σ в бетонной плите, определяемым согласно теории упругости,

, (4.13)

где h – толщина плиты;

Е – модуль упругости;

r – радиус кривизны;

μ – коэффициент Пуассона;

жесткостью дорожной одежды s, определяемой отношением максимальной ударной силы F к максимальному динамическому прогибу l_y:

. (4.14)

Основной сравнительной характеристикой является статистическая оценка жесткости дорожной одежды.