5. Расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе

В монолитных слоях дорожной одежды возникающие при прогибе одежды напряжения под действием повторных кратковременных нагрузок, не должны в течение заданного срока службы приводить к образованию трещин от усталостного разрушения. Для этого должно быть обеспечено условие:

(7.7)

где К_пр^тр – требуемый коэффициент прочности с учетом заданного уровня надежности (таблица 3.1 ОДН [7])

R_N – прочность материала слоя на растяжение при изгибе с учетом усталостных явлений.

σ_r – наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое.

Наибольшее растягивающее напряжение σ_r при изгибе в монолитном слое определяют с помощью номограммы на рисунке 3.4 ОДН [7]

Модуль упругости нижнего слоя определен предыдущим расчетом

Е_н = Е_общ^щеб = 192 МПа

Модуль упругости асфальтобетонных слоев:

МПа

По отношению

и

По номограмме (рисунок 3.4 ОДН) определяемσ_r = 2,0 МПа

Расчетное растягивающее напряжение вычисляется по формуле:

σ_r = σ_r · р · К_в (7.8)

где К_в – коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия (К_в = 0,85)

σ_r = 2,0 · 0,6 · 0,85 = 1,02 МПа

Вычисляем предельное растягивающее напряжение по формуле:

R_N = R₀ · К₁ · К₂ · (1–ν_R·t) (7.9)

где R₀ – нормативное значение предельное сопротивления растяжению при изгибе при расчетной низкой весенней температуре (приложение 3, таблица П.3.1 ОДН [7])

К₁ – коэффициент, учитывающий снижение прочности в следствие усталостных явлений при многократных приложениях нагрузки.

(7.10)

где α – коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузки (таблица П.3.1)

m – показатель степени, зависящий от свойств материалов (таблица П.3.1)

К₂ – коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия природно-климатических факторов (таблица 3.6 ОДН [7])

К₂ = 0,80

ν_R = 0,10

t – коэффициент нормативного отклонения (приложение П.4.2[7])

t = 1,71 при К_н = 0,95

R_N = 8 · 0,19 · 0,8 · (1–0,1·1,71) = 1,03 МПа

Находим отношение:

= = 1,0

Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет всем критериям прочности.

Одним из крупных источников загрязнения воздуха при устройстве дорожных одежд являются органические вяжущие вещества, смеси на их основе и средства ухода за покрытием. Нефтяные битумы, используемые в асфальтобетонных смесях и для укрепления грунтов, содержат бензапирен – канцерогенное вещество. При массовых работах по строительству а\б покрытий в атмосферу выбрасываются токсичные углеводороды, причем количество выбросов прямо пропорционально температуре укладки. Особенно негативно для ОС применение каменноугольных или сланцевых вяжущих, синтетических смол (эпоксидных, фенолформальдегидных) также содержащих в своем составе вредные токсичные вещества

При массовых работах по строительству а\б покрытий в атмосферу выбрасывается большое количество других токсичных углеводородов. Поэтому наиболее эффективным способом снижения концентрации вредных веществ является замена битумов битумными эмульсиями.

При невозможности замены битумов на эмульсии, возможна их модификация полимерными добавками – например синтетическими каучуками и блоксополимерами. С их применением снижается трещинообразование, усталостное разрушение материала, увеличивается срок службы покрытия, а следовательно, снижается количество ремонтов. Более долговечны а/б с модифицированным битумом, содержащим добавку каучука, а минеральный порошок - с активатором.

Можно также рекомендовать применение а\б смесей, приготавливаемых на основе вспененных битумов (полидисперсная среда – водяной пар, дисперсная – битум). Такое вяжущее приготавливают с использованием нефтяных шламов, являющихся отходами нефтеперерабатывающих производств. Такая технология позволяет снизить расход битума, экономить энергию на подогрев вяжущего и увеличить срок службы а\б покрытия.

Исследования доказали, что измельченные отходы полиэтиленовой упаковки, введенные в качестве армирующей добавки в мелкозернистый а\б, увеличивают его деформативность. При введении полиэтилена непосредственно в битум смесь становится более пластичной, имеет высокую температуростойкость, долговечность.

При сжигании мусора в специальных печах образуется значительное количество золошлаков и пепла, которые также могут использоваться в дорожном строительстве. Хорошо отожженные шлаки можно получать в крупных промышленных печах для сжигания мусора. Такой шлак используют для подстилающих слоев и в нижних слоях оснований на дорогах с небольшой интенсивностью движения

Кроме того, шлаки используют при приготовлении а\б смесей, ц\б смесей для устройства оснований дорожных одежд.

Мартеновские шлаки по своим свойствам могут применяться вместо высокопрочных горных пород. Отвальные шлаки могут быть использованы в дорожных одеждах в качестве слоев оснований. Обязательным условием их применения является нахождение шлаков в отвалах не менее 1,5-2 лет до начала их использования.

Перспективно укрепление грунтов золами сухого улавливания.

Горелые породы угледобывающей промышленности могут применяться для возведения земполотна и устройства подстилающих слоев, а также как заполнители в асфальтобетонах.

На сегодняшний день начинают более широко применять отходы утилизированных шин. Это связано с резким увеличением отходов резины. Отходы резины применяют как добавки в асфальтобетонные смеси, резинобетонов, тротуарной плитки, дорожных ограждений.

Для выбора оптимальной конструкции дорожной одежды необходимо произвести технико-экономическое сравнение рассматриваемых конструкций по укрупненным показателям. Сравнение производится по стоимости каждого конструктивного слоя и стоимости в целом всей дорожной конструкции. Выбирается наиболее дешевая жесткая и нежесткая конструкции. Далее производится их сравнение по суммарным приведенным затратам, которые рассчитываются по формуле:

, (7.11)

где E_Н – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, Е_Н=0.30;

Е_НП – нормативный коэффициент приведения, Е_НП=0.08;

K_дор. –сметная стоимость одного километра дорожной одежды, тыс. руб. (определяется по локальным сметам).

С_К.р. – затраты на восстановление прочности, тыс. руб.;

t_кр – год осуществления ремонта по восстановлению прочности;

n   – количество ремонтов по восстановлению прочности за срок сравнения;

–коэффициент приведения затрат;

С_Ср.р. – затраты на восстановление шероховатости и ровности, тыс. руб.;

t_ср.р. – год осуществления ремонта по восстановлению шероховатости и ровности;

m – количество ремонтов по восстановлению шероховатости и ровности за срок сравнения;

t_ср. – срок сравнения, t_ср=50 _лет;

С_Т.р. – затраты на текущий ремонт и содержание, тыс. руб.;

p – процент прироста интенсивности движения.

Стоимости ремонтов по восстановлению прочности, шероховатости и содержания покрытия дороги берутся в процентах от сметной стоимости одного километра дорожной одежды. Срок сравнения вариантов дорожной одежды принимается до первого восстановления прочности по наиболее долговечному варианту.

Контрольные вопросы

1. По каким принципам производится конструирование дорожных одежд?

2. Каковы принципы расчёта дорожной конструкции по условию сдвигоустойчивости? Для каких материалов он производится?

3. Какое отрицательное воздействие может оказывать на ОС а/б покрытие в процессе строительства и эксплуатации

4. Каковы экологические принципы конструирования дорожных одежд при выборе местных материалов и отходов промышленности для использования их в строительстве?

5. На каких экономических показателях основано сравнение вариантов конструкций дорожных одежд.