База нормативной документации: www.complexdoc.ru

П р и м е ч а н и е : 1. Значения толщины соответствуют районам с суточным колебанием на поверхности покрытия t = 15°С. При других значениях температуры вносится [1] поправка к толщине. Имеются также рекомендации по толщинам при классах бетона Bbtb 0,8-1,2.

2. При устройстве трещинопрерывающих слоев толщину слоя асфальтобетона уменьшают на 30 %.

Асфальтобетонные покрытия устраивают одно-, двух- и трехслойными. Допускается применять в основании укатываемый бетон. В слое цементобетона поперечные швы устраивают как контрольные, без армирования, через 15 м.

Для повышения трещиностойкости асфальтобетонного покрытия его армируют над поперечными швами специальными сетками (сталь, стекловолокно, стеклопластик) шириной 80-160 см. Сетки размещают в слое асфальтобетона не ближе 8 см от поверхности покрытия.

13.4. Основные положения расчета жестких дорожных одежд

Дорожные одежды рассчитывают с учетом состава и перспективной (к концу срока службы) интенсивности движения транспортного потока, грунтовых и природно-климатических условий. Расчет выполняют по предельным состояниям, определяющим потерю работоспособности конструкции, основываясь на требованиях к жесткой дорожной одежде (см. разд. 13.2). Расчет ведется путем проверок предварительно назначенной конструкции [1].

637

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Нормативные и расчетные нагрузки. В соответствии с изменением №5 СНиП 2.05.02-85 для расчета жестких дорожных одежд на дорогах общей сети I-II категорий в качестве нормативной принимают нагрузку от двухосного грузового автомобиля с давлением на заднюю наиболее нагруженную ось 115 кН. На дорогах III-IV категорий - 100 кН. Для промышленных дорог могут использоваться более высокие нагрузки, превышающие нормативную до 30 % [1] при соответствующем обосновании.

Расчетную нагрузку на колесо Рр принимают с учетом динамического воздействия и перегрузки автомобилей:

Рр = Рк×Кд×Кп, где

(13.1)

Рк - нормативная нагрузка на колесо, равная 50-57,5 кН;

Кд - коэффициент динамичности, принимаемый, в зависимости от осевой массы 10-12 т, соответственно 1,06-1,04;

Кп - коэффициент перегрузки 1,25, принимаемый только для промышленных дорог.

В расчете непосредственно учитывают долю суточной интенсивности движения, приходящуюся на расчетную наиболее загруженную полосу покрытия.

Приведение состава движения к расчетным нагрузкам осуществляют с использованием коэффициента Кi приведения автомобиля с нагрузкой Рi к нормативной Рк:

(13.2)

Осевые нагрузки отдельных грузовых автомобилей в составе транспортного потока определяют из паспортных данных на автомобили или пользуясь данными соответствующих справочников [8,9]. Учет воздействия сближенных осей

638

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

транспортного средства (менее 2 м) осуществляют методом, принятым при проектировании нежестких дорожных одежд.

Расчет монолитных цементобетонных покрытий. Покрытия рассчитывают из условия обеспечения требуемого качества производства работ и наличия полного контакта плит покрытия с основанием. Имеется также решение [1] для дорог низких категорий, работающих в особых условиях, в которых ожидаются неравномерные осадки и пучение земляного полотна.

По исходным данным об ожидаемом объеме движения на проектируемой автомобильной дороге назначается толщина цементобетонного покрытия (см. табл. 13.2), длина плиты и необходимые расчетные характеристики материалов конструктивных слоев дорожной одежды и грунтов земляного полотна. Рассчитывают основание дорожной одежды методами аналогичными принятым для нежестких дорожных одежд из условия прочности, морозоустойчивости и обеспеченности водоотвода и окончательно проверяют конструкцию на соответствие требованиям нормативного коэффициента прочности (см. табл. 13.1). При несоответствии рассчитываемой конструкции предъявляемым требованиям уточняют расчетные параметры конструкции и повторяют расчет.

Расчетная прочность (трещиностойкость) и надежность покрытия обеспечивается при следующем условии [1]:

где

(13.3)

spt - напряжения растяжения при изгибе, возникающие в бетонном покрытии от совместного действия нагрузки и перепада температуры по толщине плиты;

Rри - расчетная прочность бетона на растяжение при изгибе, определяемая с учетом нарастания прочности бетона во времени и коэффициента усталости бетона при повторном нагружении Ку:

639

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Rри = Rtb×Кнп×Ку×Кf;

(13.4)

K^= 1,08 Np''-063 , где

(13.5)

Кнп - коэффициент нарастания прочности бетона (Кнп = 1,0-1,2 соответственно для условий сухого, жаркого и умеренного климата);

Кf - коэффициент, учитывающий воздействие попеременного замораживания-оттаивания, равный 0,95;

Rtb - средняя прочность бетона на растяжение при изгибе, соответствующая принятому классу бетона по прочности Вtb и принимаемая по таблице 13.7.

Таблица 13.7.

Средняя прочность бетона при расчете на растяжение при изгибе

640

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Примечание : Для покрытий и оснований используется тяжелый бетон, соответствующий требованиям ГОСТ 26633-91

В качестве расчетного места приложения нагрузок рассматривают прилегающий к обочине внешний край середины плиты покрытия. Расчетную повторяемость нагружения на полосу покрытия Npt определяют с учетом роста интенсивности движения во времени по геометрической прогрессии:

где

(13.6)

641

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

N1 - среднегодовая интенсивность движения, приведенная к расчетным нагрузкам в первый год эксплуатации конструкции;

пс - количество расчетных дней в году;

q - показатель роста интенсивности движения (q ³ 1, обычно

1,03-1,12 );

Т - расчетный срок службы покрытия, (лет).

Температурные напряжения и напряжения от вертикальной нагрузки рассчитывают по формулам теории упругости для плит, лежащих на упругом основании или частично опертых на него. Особенности расчета напряжений для различных практических случаев приведены в главе 14. Напряжениями в плитах от сил сопротивления основания температурным перемещениям можно пренебречь по малости для плит длиной 9 м и менее. [10]

Расчетное значение модуля упругости Е выбирают в зависимости от используемого класса бетона по прочности по табл. 13.8:

Таблица 13.8.

Расчетные значения модулей упругости Е

Е, МПа 36000 33000 32000 30000 28000 26000 19000 16000

Примечание . Для мелкозернистого бетона - модули упругости понижают на 20 %.

Расчетные значения коэффициента Пуассона и коэффициента линейного температурного расширения бетона принимают соответственно равными m = 0,2 и ar = 1×10-5.

Расчеты по формулам (13.2; 13.5 и 13.6) не учитывают разнообразие состояний дорожных конструкций, при которых агрессивность воздействия транспортных нагрузок неодинакова и, как правило, носит случайный характер. В этих условиях более точно ориентироваться на учет воздействия нагрузок и

642

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

температуры, используя характеристику цикла напряжения r, непосредственно связанную с усталостной прочностью бетона [11, 12], что частично было реализовано в ранее действовавшей инструкции по проектированию жестких дорожных одежд ВСН 197-83. В условиях совместного действия температуры и нагрузки:

где

(13.7)

sр - напряжение растяжения при изгибе на подошве плиты в расчетном сечении от автомобильной нагрузки, МПа;

sT - температурное напряжение, МПа.

Расчетную прочность бетона на растяжение при изгибе уточняют с учетом нормативной надежности покрытия:

где

(13.8)

bR - коэффициент, зависящий от заданного уровня надежности покрытия;

CR - коэффициент вариации прочности бетона на растяжение при изгибе, устанавливаемый по результатам испытания бетона.

Для определения фактического количества приложений расчетных напряжений Nф необходимо знать повторяемость напряжений в покрытии от разных автомобилей в составе движения, а также численное значение и длительность температурных напряжений в покрытии.

Исследования показывают, что воздействие автомобилей на покрытие носит случайный характер в связи с различиями по

643

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

использованию отдельных автомобилей по грузоподъемности и пробегу, по скорости движения отдельных автомобилей, жесткости рессор и давлению воздуха в шинах автомобилей, а также из-за отклонения проходов колес автомобилей от расчетного сечения (по ширине покрытия). Поэтому повторяемость напряжений в покрытии от автомобильных нагрузок целесообразно устанавливать на основании наблюдений за распределением проходов колес автомобилей по ширине покрытия и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния покрытия при действии подвижных нагрузок.

В табл. 13.9 для примера приведена повторяемость динамических напряжений в расчетном сечении плиты цементобетонного покрытия толщиной 20 см, устроенном на песчаном основании. Повторяемость динамических напряжений дана в процентах с учетом прохода всех осей автомобилей. Значения динамических напряжений даны в относительных единицах по отношению к напряжениям от статической нагрузки 27 кН. За 100 % принято общее количество проездов однотипных автомобилей. Приведенные данные справедливы при степени использования автомобилей по грузоподъемности и пробегу соответственно: Кгр

= 0,66-0,88; Кпр = 0,44-0,6.

Таблица 13.9.

Повторяемость динамических напряжений с учетом воздействия осей автомобиля, %

644

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Значение и длительность разных температурных напряжений определяют с использованием данных из климатических справочников или по данным местных метеостанций.

Приведение различных суммарных напряжений к расчетным осуществляют по степени их воздействия на дорожное покрытие с помощью кривых усталости бетона, соответствующих определенной характеристике цикла напряжения:

645

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

где

(13.9)

sРТ - фактическое суммарное напряжение на подошве покрытия от рассматриваемой нагрузки и температуры, МПа;

Ni - число приложений нагрузок, вызывающих напряжение sРТ, до разрушения образца материала. Коэффициент приведения i-го напряжения к расчетному:

ai = прт/пi , где

(13.10)

прт и пi - число приложений суммарного напряжения до разрушения соответственно от расчетной и i-той нагрузки.

Непрерывно происходящие изменения напряженного состояния покрытия в связи с изменением прочности бетона, жесткости основания, состава и интенсивности движения учитывают разделением проектного срока службы дорожной одежды Тн на отдельные отрезки времени и определением повторяемости расчетных суммарных напряжений sРТ по каждому отрезку в отдельности с последующим суммированием полученных повторяемостей. В общем виде:

где

(13.11)

Nt - суточная среднегодовая интенсивность движения автомобилей в любой рассматриваемый год эксплуатации t, авт./ сут;

m - количество расчетных уровней суммарных напряжений в год;

646

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

п - количество дней в году (365);

gi - годовая повторяемость рассматриваемого уровня суммарных напряжений, в долях единицы (gi < 1).

Для реализации такого подхода в настоящее время имеются благоприятные возможности, если учесть результаты исследования проф. В.П. Носова [3], которым осуществлена детальная количественная оценка влияния стохастического характера воздействий, изменчивости параметров напряженнодеформированного состояния жестких дорожных одежд на состояние и степень их повреждения с учетом процессов влагопереноса, промерзания и оттаивания дорожной одежды и земляного полотна.

Уточнение длины плиты покрытия на основании технико-

экономического расчета. В процессе обоснования параметров цементобетонного покрытия и в условиях ограниченного финансирования целесообразно рассматривать вопрос об уточнении длины плиты покрытия против значений, получаемых расчетом [1], при соответствующем технико-экономическом обосновании. Это становится возможным, принимая во внимание особенности образования поперечных трещин и несущественное их влияние на состояние покрытия по ровности в процессе эксплуатации цементобетонных покрытий.

Опыт эксплуатации покрытий свидетельствует, что со временем не происходит одновременного растрескивания всех плит цементобетонного покрытия из-за неоднородности свойств материалов дорожной одежды. Чем меньше длина плит, тем меньше и количество трещин в любой рассматриваемый момент времени. Например, вероятность растрескивания плит р{Т} покрытия толщиной 20 см можно представить следующей эмпирической зависимостью:

где

(13.12)

647

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Np - ожидаемое количество проходов (на полосу) расчетного грузового автомобиля (нагрузка на заднюю ось 100 кН) за расчетный срок службы, тыс. ед.;

К и х - постоянные, зависящие от длины плиты L. Например, для покрытия, устроенного на песчаном основании, при изменении длины плиты с 5 до 8 м значение К меняется от 0,000 008 до 0,0094

и х - от 1,725 до 1.

Основываясь на приведенной зависимости, можно утверждать, что с уменьшением длины плиты повышается надежность покрытия и сокращаются затраты на ремонт покрытия, но увеличиваются затраты на устройство и содержание швов. При увеличении длины плиты, наоборот, уменьшаются затраты на устройство и содержание швов, но увеличиваются затраты на ремонт покрытия в связи с уменьшением его надежности. В этих условиях всегда имеется оптимальное решение по критерию минимума суммарных затрат (Отдаленность затрат на ремонт и содержание для упрощения расчетов можно не учитывать. Учет отдаленности приводит к незначительному увеличению оптимальной длины плиты.) на устройство швов Сш, ремонт (разделку) трещин Эр и периодическое заполнение швов Эш и трещин Эт герметиками:

Сш + Эр + Эш + Эт = С ® min.

(13.13)

Из расчета на 1 км покрытия и при условии ежегодного содержания швов и трещин:

где (13.14)

- затраты, относящиеся к одному шву или трещине;

648

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

р{Тн} и р{Тi} - вероятности растрескивания плит длиной L соответственно в конце расчетного периода эксплуатации и через Тi лет.

Для примера на рис. 13.6 показаны результаты расчетов по приведенной методике для цементобетонного покрытия толщиной 20 см, устроенного на песчаном основании.

Рис. 13.6. Оптимальная длина плиты в зависимости от соотношения затрат на устройство швов и первоначальный ремонт (разделку) трещин, затрат на периодическое заполнение швов и трещин герметиками в период эксплуатации дороги (при Тн = 30 лет)

Расчет сборных покрытий из плит. Ведут на действие колесных и монтажных нагрузок [1]. Расчет толщины плит и количества арматуры выполняется из нескольких условий:

из условия прочности бетона на изгиб краевых участков сочлененных плит

649

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

где

(13.15)

W - момент сопротивления плиты;

- изгибающий момент по краю от действия расчетной или монтажной нагрузок;

из условия прочности бетона в центре плит шириной 2h с краевым армированием, выдерживающих до появления трещин усилие

. Условие аналогично (13.15), но при замене краевого момента на изгибающий момент в центре плиты;

из условия прочности сечения с узкой трещиной слабо армированных плит на действие изгибающего момента от монтажных нагрузок;

из условия ограничения раскрытия трещин сверх пределов, указанных в СНиП 2.03.01-84, но не более 0,3 мм для плит уложенных на прочные основания, где маловероятны неравномерные осадки;

из условия прочности армированных сечений железобетонных плит без учета работы бетона на растяжение при действии изгибающего момента от колесной или монтажной нагрузок;

из условия прочности напряженного бетона на растяжение при изгибе предварительно-напряженных плит и из условия прочности на изгиб с появлением узких трещин по СНиП 2.03.01-84 на действие монтажных нагрузок. При действии колесных нагрузок дополнительно расчет проводят из условия работы арматуры в узких трещинах в качестве штырей.

Изгибающие моменты определяют при приложении нагрузки в центре, на краю, на углу и на торце в продольном и поперечном

650