2.4. Расчет и выбор конструкции дорожных одежд

Выбор конструкции одежд проезжих частей городских улиц и дорог сопровождается технико-экономическими расчетами и проверкой по предельным состояниям на прочность и жесткость:1) по упругому допустимому прогибу; 2) сдвигу в подстилающем грунте земляного полотна; 3) растягивающим напряжениям на изгиб слоев из монолитных материалов; 4) морозоустойчивости.

Напряженно-деформированное состояние дорожной одежды обуславливает воздействие на нее нагрузки, которая зависит от конструкции, массы, состава и интенсивности движения транспортных средств.

Интенсивность движения характеризует поток автомобилей в единицу времени. В расчетах часто используют условный показатель - среднесуточную интенсивность движения (И_ср), которую определяют расчетом

, (2.3)

где W_г - годовой объем движения автомобилей.

Рис. 2.3. Конструкции дорожных одежд:

а - щебенчатых; б - брусчатых; в - цементобетонных; г - асфальтобетонных

Таким образом, основой для расчета интенсивности движения является ожидаемый объем грузовых и пассажирских перевозок. Этот показатель используют при расчетах дорожных одежд и конструкций пролетных частей мостов, путепроводов и тоннелей. Для расчетов, связанных с оценкой пропускной способности улиц, уровня их загрузки и транспортных потерь, используют более точные показатели интенсивности движения:

• пассажирских транспортных средств

, (2.4)

где P_ij - количество пассажиров, перевозимых по i-му маршруту j-тым видом транспорта, чел.;

k_н – коэффициент наполнения транспорта (летом k_н = 1,0, зимой k_н = 1,15);

_j - вместимость j-той единицы подвижного состава грузового транспорта, чел.;

• грузовых транспортных средств

, (2.5)

где к_сез, к_с, к_нап - коэффициенты неравномерности соответственно сезонной, суточной и по направлениям;

h_ч - доля суточной интенсивности движения, приходящаяся на час пик (0,08-0,1);

 и  - коэффициенты использования грузоподъемности и пробега автомобилей;

g – расчетная средняя грузоподъемность.

Для того чтобы заменить практический состав движения и его интенсивность расчетной нагрузкой, используют коэффициенты приведения, которые принимаются в зависимости от нагрузки на одиночную ось транспортного средства. Таким образом, расчетное значение интенсивности движения для определения расчетной нагрузки вычисляется по формуле:

, (2.6)

где N_j - суммарная перспективная интенсивность движения j-й марки транспортного средства, авт/сут.;

k_j - коэффициент приведения к расчетной нагрузке для j-й марки транспортного средства (табл. 2.2);

k_пол - коэффициент снижения интенсивности движения в зависимости от количества полос движения, для однополосной - 1, двух- и трех полосной - 0,7, четырехполосной - 0,35.

При расчете прочности дорожных одежд воздействие колеса на дорожную одежду представляется в виде равномерно распределенной нагрузки (P) от расчетного автомобиля, которая приложена к круглому жесткому штампу с диаметром (Д), равновеликого площади контакта сдвоенного колеса расчетного автомобиля (рис. 2.4).

Таблица 2.2

коэффициент приведения к расчетной нагрузке

Нагрузка на ось, т	4	6	7	8	9	10	20
Н = 10	0,03	0,15	0,55	0,65	0,75	1,0	-
Н = 30	0,01	0,05	0,18	0,22	0,25	0,5	1,0

Степень прочности дорожной одежды определяет модуль деформации Е, учитывающий упругие и пластические деформации:

Е = = , (2.7)

где  - относительная деформация; l - абсолютная деформация, отнесенная к диаметру круга.

Расчет дорожных одежд по упругому прогибу включает:

послойный расчет эквивалентных модулей упругости по поверхности конструктивных слоев:

Е = , (2.8)

где Е , Е - соответственно эквивалентный и действительный модуль упругости i-го слоя конструкции одежды; h_i - толщина i-го слоя конструкции.

Рис. 2.4 .Схема определения толщины эквивалентного слоя дорожной одежды:

h – толщина; Е - модуль деформации слоя

Расчет требуемого модуля упругости дорожной одежды:

Е_тр = а + bN_p, (2.9)

где а и b - эмпирические коэффициенты, полученные в результате обработки экспериментальных материалов.

Если

Е  Е_тр, (2.10)

тогда дорожная одежда обеспечивает требуемую жесткость при расчетных нагрузках. В противном случае необходимо изменить конструкцию дорожной одежды: увеличить толщину отдельных конструктивных слоев или применить более прочные материалы.

Расчет по второму предельному состоянию оценивает прочность дорожной одежды по максимальному сдвигающему напряжению, которое должно быть меньше или равно допустимому:

_м  _доп, (2.11)

где активное напряжения сдвига определяется по аппроксимирующим формулам или номограммам _мi = f(Е , H_i, Д_i, _i), где H_i - высота вышележащих слоев; _i - угол внутреннего трения i-го слоя.

допустимое сдвигающее напряжение в материале конструкции дорожной одежды _доп рассчитывается по формуле:

_доп = , (2.12)

где k₁ - обобщенный коэффициент, учитывающий перегрузки, динамическое воздействие и условия контакта конструктивных слоев;

k₂ - коэффициент запаса, учитывающий неоднородность условий работы дорожной одежды;

k₃ - коэффициент, учитывающий характер покрытий; С – коэффициент сцепления в подстилающем грунте, кг/см².

Расчет по сдвигу в подстилающем грунте ведется методом последовательного приближения. При этом одежда приводится к двухслойной конструкции, для которой определяют Е_ср/Е_гр - отношение модулей упругости одежды и грунта, h/Д - отношение общей толщины одежды к расчетному диаметру штампа, по которым определяют максимальное активное напряжение сдвига _м. Если рассчитанное активное напряжение сдвига превышает допустимое, тогда следует увеличить толщину отдельных конструктивных слоев или произвести замену материала на более прочный.

Расчет по третьему предельному условию выполняется с целью обеспечения работы покрытия без остаточных деформаций растяжения. Условие прочности сводится к выполнению неравенства вида:

_i  R_i, (2.13)

где _i - растягивающее напряжение при изгибе i-го слоя, определяемое по эмпирической формуле или номограмме;

R_i - расчетной сопротивление растяжению при изгибе материала i-го слоя конструкции.

При   R обеспечивается нормальная работа покрытия, если  > R, тогда необходимо увеличить толщину покрытия или повысить жесткость основания.

В качестве критерия оптимальности, с помощью которого определяется эффективность того или иного варианта, можно использовать стоимость единицы площади дорожной одежды

S = , (2.14)

где h_i - толщина i-го слоя дорожной одежды, см;

s_i - стоимость единицы толщины i-го слоя конструкции, руб/см.

Требуется найти такую совокупность толщин конструктивных слоев h_i, для которой Smin, при одновременном удовлетворении условиям 2.10, 2.11 и 2.13.