Проектирование дороги II технической категории, проходящей в Московской области

Введение

Глава I. Природные условия Глава II. Технические нормативы Глава III. Дорожно-строительные материалы Глава IV. Проектирование конструкций дорожной одежды Глава V. Гидравлический расчет мостов и труб Глава VI. Расчет вариантов проектных решений Глава VII. Проект организации строительства Глава VIII. Расчет экономической эффективности капитальных вложений Глава IX. Транспортная развязка Глава X. Сметная часть Глава IX. Охрана труда Литература

Введение

Автомобильный транспорт представляет собой одну из важнейших отраслей народного хозяйства. На его долю приходится более 80% объема грузовых перевозок и более 90% объема перевозок пассажиров, выполняемых всеми видами транспорта.

Автомобиль как транспортное средство используется не только в системе автомобильного транспорта, не только для обслуживания народнохозяйственных перевозок. В составе транспортных потоков движется большое количество автомобилей и мотоциклов, принадлежащих гражданам и используемых в личных целях. В СНГ, как и в других странах мира, автомобиль находит широкое применение для хозяйственных и деловых поездок, для поездок к местам кратковременного и длительного отдыха и пр. Происходит процесс автомобилизации, суть которого заключается в быстром росте автомобильного парка и в проникании автомобиля во все сферы экономической и социальной деятельности человека.

Производственная работа автомобильного транспорта, эффективное использование личных автомобилей требуют наличия развитой сети благоустроенных автомобильных дорог. Дорожная сеть наиболее развита в европейской части СНГ и совершенно недостаточна в восточных и северо-восточных районах страны. За период с 1950 по 1990 гг. протяженность автомобильных дорог с твердым покрытием возросла более чем в 5 раз (железных дорог — только на 50%), однако темпы прироста сети значительно уступают темпам роста автомобильного парка.

Развитие автомобильного транспорта как в экономическом, так и в социальном аспекте — явление положительное. Есть все основания полагать, что уровень автомобилизации в будущем будет возрастать. Однако наряду с неоспоримыми положительными последствиями автомобилизации современное общество испытывает и ее отрицательные последствия.

Наиболее острой проблемой, вызванной этими последствиями, является аварийность. По данным Всемирной ассоциации дорожных конгрессов и Международной дорожной федерации на автомобильных дорогах всех континентов ежегодно гибнут более 200 тыс. человек, а потери от аварийности во многих странах составляют около 1% национального дохода.

Автомобиль является одним из основных источников загрязнения окружающей среды продуктами сгорания топлива и одним из основных источников транспортного шума.

Расход топлива автомобилями стал одной из причин чрезмерного расходования энергетических ресурсов, в частности нефтепродуктов. Если в промышленно развитых странах транспорт потребляет 12−17% всех энергетических ресурсов, то на долю автомобильного транспорта из этого количества приходится 50−60%.

Обеспечение эффективных мероприятий по повышению безопасности дорожного движения, уменьшение его отрицательного влияния на окружающую среду — все это является сложной социально-экономической и технической задачей. Решается она путем строительства новых дорог, реконструкции существующих, путем повышения транспортно-эксплуатационного уровня уже сложившейся сети дорог.

В последние десятилетия во многих странах как следствие развития дорожного движения наблюдается значительная модификация дорожной инфраструктуры. Создается сети автомобильных магистралей и скоростных дорог; строятся дороги-дублеры и кольцевые обходы агломераций; спрямляются трассы дорог, уширяются проезжие части и пр.

Инженерное оборудование автомобильных дорог в значительной степени способствует стабилизации режимов движения транспортных средств, безопасности, экономичности и комфортабельности дорожного движения, смягчению отрицательного воздействия транспортных потоков на окружающую среду. Чем выше категория дороги и чем больше интенсивность движения на ней, тем существеннее роль инженерного оборудования в организации дорожного движения.

Задача данного проекта — проектирование дороги II технической категории, проходящей в Московской области. Проектирование вызвано тем, что существующая сеть автомобильных дорог уже не способна обеспечить пропуск современного количества автомобилей с учетом того, что современная дорога должна обеспечивать и удобство движения автомобилей на всем пути следования независимо от погодных условий и времени года.

Скопление автомобилей на дорогах и улицах, увеличение интенсивности и плотности движения влечет за собой снижение скорости, способствует образованию заторов, что в свою очередь увеличивает себестоимость перевозок, снижает производительность работы автомобильного транспорта.

Чем выше транспортно-эксплуатационный уровень автомобильных дорог, тем в меньшей степени проявляются отрицательные последствия автомобилизации.

Глава I. Природные условия

Описание природных условий района проектирования дороги

Климат

Московская область расположена во II дорожно-климатической зоне — зоне лесов с избыточным увлажнением грунтов. Характеризуется избыточным увлажнением грунта вследствие значительного количества выпадающих осадков, малой испаряемости и высокого расположения уровня грунтовых вод. Коэффициент увлажнения по проф. Г. Н. Высоцкому (отношение выпадающих за год осадков к испарению за тот же период) для II зоны превышает 1. Лето теплое: среднесуточная температура воздуха наиболее жаркого месяца (июля) составляет +18С; зимы умеренные со среднесуточной температурой наиболее холодного месяца (января) -8С. Отрицательные температуры воздуха бывают с 10 ноября до 28 марта, а расчетная длительность периода отрицательных температур Т = 138 сут.

Абсолютный максимум температуры воздуха в году достигает +37С, а минимум -43С. Следовательно амплитуда температуры составляет 80С.

Для района проложения новой дороги характерен умеренно континентальный климат с мягкой зимой и сравнительно нежарким летом.

Средняя длительность периода отрицательных температур (ниже 0С) Т = 138 сут., следовательно период без заморозков 227 сут. За вычетом дней вероятного простоя из-за дождя его плановая продолжительность составит 206 сут. Наибольшая толщина снежного покрова наблюдается в конце февраля и равна 38 см. Средняя за зиму (из наибольших декадных) высота снежного покрова составляет 33 см, а число дней со снежным покровом до 137.

Средняя декадная высота снежного покрова по постоянной рейке

Эти данные позволяют планировать продолжительность и трудоемкость дорожных работ по снегоочистке, которые требуются как в период временного содержания дороги до ее сдачи в постоянную эксплуатацию, так и в последующий период работы дороги. Одновременно возникает вопрос о планировании противогололедных мероприятий. Расчетное число дней в году с гололедом равно 45, и еще 45 дней с изморозью, когда резко понижается сцепление колес автомобиля с покрытием. Так как на покрытии дороги II категории не допускается образование снежно-ледяной корки, должны быть обеспечены постоянные снегоочистка и снегоуборка. Поэтому следует планировать россыпь противогололедной смеси песка с солями из расчета 90 дней в году.

В районе проектирования дороги возможно образование льда на проводах, отложения которого достигают диаметра 45 мм, а во время изморози — 60 мм. В этих условиях для обеспечения надежного энергоснабжения и связи вместо воздушных проводных линий следует по возможности прокладывать подземные кабели в полосе отвода. В период строительства дороги желательно вместо проводной связи применять радиосвязь. Впрочем, повторяемость гололеда на проводах диаметром 16−20 мм не превышает 0,2%, а изморози на проводах диаметром более 20 мм — 4%.

Нормативная глубина промерзания суглинистых грунтов на открытых возвышенных местах Нпр = 140 см. Следовательно, глубина заложения фундаментов зданий и искусственных сооружений должна быть не менее 140 + 50 = 190 см. Под снежным покровом глубина промерзания уменьшается до 132 см. Климатический параметр, используемый в расчете необходимого возвышения бровки земляного полотна (по Н.А. Пузакову) над уровнем воды Учитывая наличие гололеда, поперечный уклон виража не следует назначать более 60‰.

При проектировании снегозадерживающих насаждений необходимо учитывать преобладающие направления и скорости ветра зимой, а при выборе места положения асфальтобетонных заводов и размещении зданий линейной дорожной службы и зданий предприятий обслуживания движения — те же данные летнего периода. Знать расчетную скорость ветра необходимо также для расчета прочности и устойчивости дорожных знаков и оборудования дороги.

Для рассматриваемого района основным фактором, определяющим режим ветра в холодный период года, является западно-восточный перенос, обусловленной общей циркуляцией атмосферы. Зимой направление ветра определяется юго-западной периферией сибирского антициклона. С сентября по апрель в 35−45% времени наблюдаются южные и юго-западные ветры. Ветры северных румбов зимой повторяются лишь в 15% случаев.

Данные о направлении и скорости ветра

Станция — 45 Сельскохозяйственная Академия.

Зимой направление ветра определяется юго-западной периферией сибирского антициклона. С сентября по апрель в 35−45% времени наблюдаются южные и юго-западные ветры.

Среднегодовая скорость ветра — 2,7 м/сек.

Средняя скорость ветра зимой на 0,8−1,2 м/сек больше, чем летом. Минимум скорости ветра наблюдается ночью, а максимальная около 13−14 час. Кроме средних скоростей ветра, дополнительной характеристикой являются повторяемости скоростей различных величин. Значительная повторяемость умеренных ветров (от 10 до 30%) в зависимости от защищенности места.

Число дней с метелями составляет 26. Количество снега, приносимого за зиму на 1 м снегозадерживающей полосы (удельное снегосное), равно 70−75 м3/м. Исходя из этого щиты заборов следует устанавливать не ближе 50 м от бровки земляного полотна.

Средняя месячная и годовая скорость ветра (м/сек)

Вероятность ветра различной скорости по направлениям (%)

Среднее число дней с сильным ветром (15 м/сек)

Наибольшее число дней с сильным ветром

За год выпадает 582 мм осадков преимущественно в виде летних дождей: среднее число осадков в январе равно 31 мм, в июле достигает 79 мм.

Среднее количество осадков, приведенное к показателям осадкомера (мм)

Территория проложения дороги относится к шестому ливневому району. Район стока талых вод будет первый.

Рельеф

Рассматриваемая территория расположена в центральной части обширной Русской равнины. Поверхность ее слабоволнистая, прорезанная многочисленными долинами рек, оврагами и грядами холмов. Холмы покрыты растительностью и имеют устойчивые склоны. Это позволяет оценить рельеф как равнинный слабопересеченный, т. е. трудных участков не имеется и потому для проектирования следует принимать основные расчетные скорости.

В понижениях рельефа и на поймах рек сток затруднен, местами местность заболочена, встречаются места с временным высоким уровнем грунтовых вод (верховодка).

Геологическое строение местности, гидрология, грунты

Территория в районе проложения дороги представлена древней платформой с доверхнепротерозойским фундаментом, возрастом более 1600 млн. лет. На платформе расположен чехол (плита) на молодой платформе. В основном встречаются мелкозернистые пылеватые пески рыхлого сложения, разнои среднезернистые плотные пески с прослойками мягкопластичной глины, представляющими собой водоупор под песчаными водоносными слоями.

Ниже приведены основные показатели этих грунтов по данным лабораторных проб и характеристики их теплопроводности, необходимые для расчета морозозащитных слоев дорожной конструкции.

Болота исключительно низинные, заполненные рыхлым торфом, лежащим на песках минерального дна толщиной 3−5 м. Торф — тросниково-осоковый губчато-волокнистого строения плотностью 0,15 г/см3, содержит более 60% волокон крупнее 0,24 мм. Коэффициент пористости 6−6,6, модуль осадки 380 мм/м, относительное сжатие под нагрузкой 0,05 МПа составляет 0,3, зольность торфа 10%, угол внутреннего трения 20, сцепление 0,05 МПа. Торф может быть использован в противопучинных слоях как теплоизолирующий материал и для планировки песчаных обочин и откосов земляного полотна.

Необходимое возвышение низа дорожной одежды в местах избыточного постоянного увлажнения над уровнем воды получим, зная? = 71 см2/сут и глубину промерзания песков hпр = 140 см. Необходимое возвышение над уровнем грунтовых или длительного стояния поверхностных вод Н = hпр + hзап = 140 + 20 = 160 см.

Водоснабжение придорожных зданий трудностей не вызывает, вода повсеместно пригодна для питья и практически не минерализована.

В то же время следует остерегаться загрязнения грунтовых и поверхностных вод противогололедными солями или загрязненными водами, стекающими с проезжей части, особенно на территории АЗС и СТО. Обязательна постройка очистных сооружений, позволяющих сбрасывать осветленную воду.

Растительность

В районе проектирования дороги распространены широколиственно-хвойные и осиново-березовые подтаежные леса. Древесные и кустарниковые насаждения на дороге могут предназначаться для технических целей (предохранение дорог от снежных заносов, создание защиты от резких порывов ветра в местах выхода дороги из зоны затишья на открытое место), а также для архитектурно-художественного оформления дороги. В лесах можно получить крупномерный посадочный материал 10−20-летнего возраста для озеленения дороги. Можно также получить сеянцы хвойных и лиственных деревьев и черенки отпрысновых пород, пригодных для снегозадерживающих и декоративных придорожных насаждений.

В местных лесах преобладают дуб, береза, липа, осина, ель, клен, ольха, на сухих пригорках растет сосна. Деловая древесина может быть заготовлена в ближайших придорожных лесополосах во время их расчистки: с 1 км шести-восьмирядных полос в ходе очистки, необходимой для улучшения снегозадержания и повышения жизнеспособности лесопосадок, получают 75−200 м3 леса, а из них до 60% деловой древисины, т. е. 45−120 м3. Для распиловки пригодна береза бородавчатая и ясень зеленый, кроме которых в придорожных полосах имеются вяз, тополь канадский, дуб черенчатый, клен остролистный и ясенелистный. Часть из них может быть пересажена из лесополос в декоративные группы у проектируемой дороги.

При оценке влияния природных факторов на условия строительства и последующей работы автомобильной дороги следует учитывать обратную зависимость — изменение природных условий в результате постройки дороги. Так, например, вырубка растительности на полосе отвода и расчистка придорожной полосы способствует ее осущению, более глубокому промерзанию грунта зимой и более быстрому оттаиванию весной. Пересечение болота насыпью, сжимающий торф, может прервать просачивание грунтовых вод и изменить процесс заболачивания.

Глава II. Технические нормативы

Технические нормативы для дороги II категории взяты из СНиП 2.05.02−85.

Ведомость углов поворота прямых и кривых (вариант № 1)

Проверка:

Р + К = 7189,76

Тн + S — Д = 7189,75

Ведомость углов поворота прямых и кривых (вариант № 2)

Проверка:

Р + К = 7133,34

S — Д = 7133,34

Глава III. Дорожно-строительные материалы

Для покрытия автомобильных дорог II технической категории применяют двухслойные асфальтобетонные покрытия.

Верхний слой — плотный асфальтобетон мелкозернистый типа, А марки I на вязком битуме БНД60/90.

Нижний слой — пористый крупнозернистый асфальтобетон из смеси марки I на вязком битуме БНД60/90.

Зерновой состав минеральной части смесей

Температура смеси при выпуске из смесителя и укладке в конструктивный слой должна соответствовать:

Требования к материалам, применяемым в качестве минерального порошка

Содержание битума в смесях:

Асфальтобетонную смесь приготавливают смешением в смесительных установках в нагретом состоянии щебня (гравия), природного или дробленного песка, минерального порошка и нефтяного дорожного битума. Смеси должны выдерживать испытание на сцепление битума с минеральной частью смесей. При отсутствии сцепления следует применять ПАВ.

Для приготовления смесей не допускается применять щебень из глинистых (мергелистных) известняков, глинистых песчаников и глинистых сланцев.

Следует применять щебень или гравий следующих фракций: от 5 до 10; св. 10 до 20; св. 20 до 40 мм. Допускается применять щебень и гравий в виде смеси смежных фракций.

Для приготовления смесей следует применять природные и дробленные пески.

Показатели свойств щебня и гравия

Нормы для смесей марок I

Показатели свойств песков

Нормы для смесей марок I

В двухслойном основании используется известняковый щебень

Битум марки БНД 60/90 привозится с нефтеперегонного завода. Глубина проникания при 25С — 70, при 0С — 20. Температура размягчения — 48С. Испытание на сцепление с песком выдерживает.

В подстилающем слое используется песок крупнозернистый, привозимый автотранспортом из местного карьера. Модуль упругости — 2,6. Массовая доля полного остатка на сите № 0.63 — 50−70%.

Состав а/б смеси:

1. Плотная

Щебень — 60%

Минеральный порошок — 13%

Песок — 27%

Битум — 5%

2. Пористая Щебень — 75%

Минеральный порошок — 12%

Песок — 13%

Битум — 4,5%

Глава IV. Проектирование конструкций дорожной одежды

Определение модуля упругости грунта

Расчетная влажность грунта

= 0,62Wт — средняя влажность грунта в долях от Wт;

= 0,1 — коэффициент вариации влажности;

t = 1,71 — коэффициент нормированного отклонения;

Wр = 0,62 (1 + 0,1 1,71) = 0,73

Характеристики грунта:

Егр = 67 МПа

= 36

Сгр = 0,013 МПа

Расчет дорожной одежды нежесткого типа

Исходные данные:

Район строительства дороги расположен в Московской области (II дорожно-климатическая зона). Перспективная интенсивность движения составляет 6600 авт/сут, в том числе грузовых автомобилей 3400 авт/сут, автобусов — 200 авт/сут.

Определение требуемого модуля упругости дорожной одежды

В качестве расчетного принимается автомобиль с наибольшей нагрузкой на одиночную ось 98 кН (10 000 кгс), с расчетным диаметром следа колеса 33 см и средним давлением на покрытие 0,6 МПа (16 кгс/см2).

Суммарная приведенная к расчетному автомобилю интенсивность движения по одной полосе

где

— коэффициент, учитывающий число полос движения;

n — число типов автомобилей в транспортном потоке;

Ni — интенсивность движения автомобилей i-го типа;

Кпрi — коэффициент приведения автомобилей i-го типа к расчетному грузовому автомобилю.

NiKiпр = 1371

Nпр = 0,55 1371 = 754 авт/сут Етр = 255 МПа > Еminтр = 230 МПа

Расчет и конструирование первого варианта дорожной одежды

1. Мелкозернистый асфальтобетон I марки на битуме БНД 60/90;

2. Пористый асфальтобетон на битуме БНД 60/90;

3. Гранитный щебень, обработанный в установке вязким битумом;

4. Щебень гранитный;

5. Песок средней крупности

Осушение дорожной одежды

Для отвода воды из основания дорожной одежды предусмотрен дренирующий песчаный слой, устраиваемый на всю ширину земляного полотна.

Толщина дренирующего слоя, необходимая для временного размещения воды, накапливающаяся в основании:

где зим — коэффициент заполнения влагой пор в дренирующем слое к началу оттаивания;

n — пористость уплотненного материала;

hзап — дополнительная толщина слоя для обеспечения устойчивости материала дренирующего слоя под действием кратковременных нагрузок;

h’капприведенная высота для капиллярной воды над уровнем свободной воды;

Q — количество воды, накапливающейся в дренирующем слое за время запаздывания tзап;

q — среднесуточный суммарный приток воды в основание;

Кп — коэффициент пик, учитывающий неравномерность поступления воды в процессе оттаивания и атмосферных осадков;

Кг — коэффициент гидрологического запаса;

tзап — время запаздывания начала работы водоотводящих устройств;

Принимаем толщину песчаного слоя 30 см.

Расчет конструкции на морозоустойчивость

Требуемая общая толщина дорожной одежды:

Z1 = Z1ср Кугв Кпл Кнагр Кст Кв, где

Z1ср — средняя толщина слоев из стабильных материалов;

Кугв — коэффициент, учитывающий глубину залегания УГВ;

Кпл — коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта;

Кнагр — коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания;

Кст — коэффициент, учитывающий влияние структуры грунта естественного сложения;

Кв — коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта;

Z1 = 55 0,55 1,1 1 1 1 = 34 см.

Конструкция удовлетворяет требованию морозоустойчивости.

Характеристики материалов конструкции

Расчет толщины дорожной одежды по допустимому упругому прогибу

Расчет заключается в определении такой толщины слоя щебеночного основания, которой будет соответствовать общий модуль упругости дорожной одежды, равный требуемому модулю Егр = 255 МПа.

Проверка на устойчивость против сдвига

Рассчитанную по упругому прогибу многослойную одежду приводим к двухслойной системе, подстилающее полупространство которой имеет модуль упругости, равный модулю упругости грунта Е2 = Егр = 67 МПа, угол внутреннего трения = 36 и сцепление С = 0,013 МПа. Толщину верхнего слоя системы принимаем равной суммарной толщине дорожной одежды h = 5 + 6 + 4 + 13 + 30 = 58 см, а его модуль упругости определяем как средневзвешенное значение модулей упругости всех слоев

условие, при котором в конструктивном слое не образуются деформации сдвига, выражается неравенством:

а.м + а. в а.доп, где

а.м — максимальное активное напряжение сдвига от расчетной временной нагрузки;

а.в — активное напряжение сдвига от собственного веса слоев дорожной одежды;

а.доп — допустимое активное напряжение сдвига.

Еср/Е2 = 447,4/67 = 6,68

а.м/р = 0,015/р = 0,6 МПа

а.в = - 0,003 МПа

а.м + а. в = 0,0060 МПа

R1 — коэффициент, учитывающий снижение сопротивления сдвигу под действием повторяющихся нагрузок;

R2 — коэффициент запаса;

с — нормированное сцепление в грунте;

Rпр — коэффициент, учитывающий эксплуатационные требования к дорожной одежде;

n — коэффициент перегрузки при движении автомобиля;

m — коэффициент, учитывающий условия взаимодействия слоев на контакте;

Так как фактическое активное напряжение сдвига меньше допустимого 0,0060 < 0,0073, условие прочности на сдвиг в грунтовом основании удовлетворяется.

Песчаный подстилающий слой

Средний модуль упругости слоев дорожной одежды, расположенных выше песчаного

Эквивалентный модуль упругости на поверхности песчаного слоя Еэкв = 97,2 МПа

h/Д = 28/33 = 0,85; Е1/Е2 = Еср/Еобщ = 798,2/97,2 = 8,2

= 40 — угол внутреннего трения песка;

а.м/р = 0,0075

а.м = 0,0075 0,6 = 0,0045 МПа

а.в = - 0,002 МПа

а.м + а. в = 0,0045 — 0,0020 = 0,0025 МПа

С = 0,006 МПа

0,0025 < 0,0034

Условие прочности на сдвиг в песчаном основании удовлетворяется.

Проверка на растягивающие напряжения в связных слоях

В монолитных слоях (из асфальтобетона и щебня, обработанного битумом) возникающие при прогибе дорожной одежды растягивающие напряжения т не должны превышать предельно допустимого растягивающего напряжения для материала слоя. Проверку на растягивающие напряжения выполняем для нижнего слоя асфальтобетонного покрытия и монолитного слоя основания из щебня, обработанного битумом.

Для асфальтобетонного покрытия находим средний модуль упругости двух его слоев

Модуль упругости на поверхности верхнего слоя основания

Еобщ = 150 МПа

Пользуясь монограммой определяем максимальное удельное растягивающее напряжение .

Полное растягивающее напряжение, где

Р — расчетное давление на покрытие (Р = 0,6 МПа).

г = 0,85 0,6 2,60 = 1,30 МПа

Полученное г = 1,30 меньше допустимого растягивающего напряжения для асфальтобетона нижнего слоя.

1,30 < 1,31

Для щебня, обработанного битумом

г = 0,85 0,6 0,71 = 0,36 МПа

0,36 < Rи = 1,0 МПа — условие выполнено.

Расчет и конструирование второго варианта дорожной одежды

1. Мелкозернистый асфальтобетон I марки на битуме БНД 60/90;

2. Пористый асфальтобетон на битуме БНД 60/90;

3. Щебень II класса прочности, пропитанным вязким битумом;

4. Щебень известняковый;

5. Песок крупный.

Характеристики материалов конструкции

Далее расчет по выше приведенным формулам.

Осушение дорожной одежды

Толщина дренирующего слоя, необходимая для временного размещения воды, накапливающаяся в основании:

Принимаем толщину песчаного слоя 25 см.

Расчет конструкции на морозоустойчивость

Требуемая общая толщина дорожной одежды:

Zм = Z1 0,55 1,1 1 1 1 = 34 см

Z1 = 55 см

Конструкция удовлетворяет требованию морозоустойчивости.

Расчет толщины дорожной одежды по допустимому упругому прогибу

Проверка на устойчивость против сдвига

Е2 = Егр = 67 МПа,

h = 5 + 6 + 8 + 10 + 25 = 54 см

а.м + а. в а.доп

Еср/Е2 = 484,3/67 = 7,23 h/Д = 54/33 = 1,64 = 36

а.м/р = 0,008 р = 0,6 МПа

а.м = 0,008 0,6 = 0,0048

а.в = - 0,0032 МПа

а.м + а. в = 0,0016 МПа

Так как фактическое активное напряжение сдвига меньше допустимого 0,0016 < 0,0073, условие прочности на сдвиг в грунтовом основании удовлетворяется.

Песчаный подстилающий слой

Еэкв = 95,6 МПа

h/Д = 29/33 = 0,88; Е1/Е2 = Еср/Еобщ = 789,7/95,6 = 8,3; = 42

а.м/р = 0,011 р = 0,6 МПа

а.м = 0,011 0,6 = 0,0066 МПа

а.в = - 0,0028 МПа

а.м + а. в = 0,0038 МПа

0,0038 < 0,0039

Условие прочности на сдвиг в песчаном основании удовлетворяется.

Проверка на растягивающие напряжения в связных слоях

Проверку на растягивающие напряжения выполняем для нижнего слоя асфальтобетонного покрытия и монолитного слоя основания из щебня, обработанного битумом.

Для асфальтобетонного покрытия

Еобщ = 150 МПа

.

г = 0,85 0,6 2,60 = 1,30 МПа

Полученное г = 1,30 меньше допустимого растягивающего напряжения для асфальтобетона нижнего слоя.

1,30 < 1,31

Для щебня, обработанного битумом

г = 0,85 0,6 0,32 = 0,16 МПа

0,16 < Rи доп = 1,0 МПа — условие выполнено.

Расчет и конструирование третьего варианта дорожной одежды

1. Мелкозернистый асфальтобетон I марки на битуме БНД 60/90;

2. Пористый асфальтобетон холодный на битуме БНД 60/90;

3. Фракционированный щебень, укрепленный цементно-песчаной смесью по способу пропитки;

4. Песок средней крупности.

Характеристики материалов конструкции

Осушение дорожной одежды

Толщина дренирующего слоя, необходимая для временного размещения воды, накапливающаяся в основании:

Принимаем толщину песчаного слоя 30 см.

Расчет конструкции на морозоустойчивость

Требуемая общая толщина дорожной одежды:

Zм = 55 0,55 1,1 1 1 1 = 34 см

Конструкция удовлетворяет требованию морозоустойчивости.

Расчет толщины дорожной одежды по допустимому упругому прогибу

Проверка на устойчивость против сдвига

Е2 = Егр = 67 МПа,

h = 5 + 6 + 15 + 30 = 56 см

а.м + а. в а.доп

Еср/Е2 = 487,5/67 = 8,7 h/Д = 56/33 = 1,7 = 36

а.м/р = 0,011 р = 0,6 МПа

а.м = 0,011 0,6 = 0,0066

а.в = - 0,0032 МПа

а.м + а. в = 0,0034 МПа

Так как фактическое активное напряжение сдвига меньше допустимого 0,0034 < 0,0073, условие прочности на сдвиг в грунтовом основании удовлетворяется.

Песчаный подстилающий слой

Еэкв = 93,6 МПа

h/Д = 26/33 = 0,79; Е1/Е2 = Еср/Еобщ = 911,5/93,6 = 9,7; = 40

а.м/р = 0,009 р = 0,6 МПа

а.м = 0,009 0,6 = 0,0054 МПа

а.в = - 0,0021 МПа

а.м + а. в = 0,0033 МПа

0,0033 < 0,0034

Условие прочности на сдвиг в песчаном основании удовлетворяется.

Проверка на растягивающие напряжения в связных слоях

Для нижнего слоя асфальтобетонного покрытия

Еобщ = 150 МПа

.

г = 0,85 0,6 2,60 = 1,30 МПа

Полученное г = 1,30 меньше допустимого растягивающего напряжения для асфальтобетона нижнего слоя.

1,30 < 1,31

Для щебня, укрепленного цементно-песчаной смесью:

г = 0,85 0,6 0,38 = 0,19 МПа

0,19 < Rи доп = 1,0 МПа — условие выполнено.

Расчет и конструирование четвертого варианта дорожной одежды

1. Мелкозернистый асфальтобетон I марки на битуме БНД 60/90;

2. Пористый асфальтобетон на битуме БНД 60/90;

3. Щебень гранитный;

4. Гравийно-песчаная смесь.

Характеристики материалов конструкции

Осушение дорожной одежды

Толщина дренирующего слоя, необходимая для временного размещения воды, накапливающаяся в основании:

Принимаем толщину ГПС 25 см.

Расчет конструкции на морозоустойчивость

Требуемая общая толщина дорожной одежды:

Zм = 55 0,55 1,1 1 1 1 = 34 см.

Конструкция удовлетворяет требованию морозоустойчивости.

Расчет толщины дорожной одежды по допустимому упругому прогибу

Проверка на устойчивость против сдвига

Е2 = Егр = 67 МПа,

h = 5 + 6 + 15 + 25 = 51

а.м + а. в а.доп

Еср/Е2 = 508,8/67 = 7,6 h/Д = 51/33 = 1,5 = 36

а.м/р = 0,013 р = 0,6 МПа

а.в = - 0,0030 МПа

а.м + а. в = 0,0048 МПа

Так как фактическое активное напряжение сдвига меньше допустимого 0,0048 < 0,0073, условие прочности на сдвиг в грунтовом основании удовлетворяется.

Гравийно-песчаный подстилающий слой

Еэкв = 109,8 МПа

h/Д = 26/33 = 0,79; Е1/Е2 = Еср/Еобщ = 825/109,8 = 7,5 = 45

а.м/р = 0,009 р = 0,6 МПа

а.м = 0,009 0,6 = 0,0054 МПа

а.в = - 0,0020 МПа

а.м + а. в = 0,0034 МПа

0,0034 < 0,0168

Условие прочности на сдвиг в песчаном основании удовлетворяется.

Проверка на растягивающие напряжения в связных слоях

Для нижнего слоя асфальтобетонного покрытия

Еобщ = 150 МПа

.

г = 0,85 0,6 2,60 = 1,30 МПа

Полученное г = 1,30 меньше допустимого растягивающего напряжения для асфальтобетона нижнего слоя.

1,30 < 1,31

Расчет дорожной одежды жесткого типа

Расчет толщины дренирующего слоя

Принимаем толщину песчаного слоя 30 см.

Расчет морозоустойчивости дорожной одежды

Допустимое морозное пучение для бетонного покрытия lдоп = 2 см.

Толщину слоев из стабильных материалов определяем по формуле:

Нмор = Z — 100 lдоп/Кпуч

Z — расчетная глубина промерзания;

Кпуч — коэффициент пучения грунта, %

Конструирование дорожной одежды

1. Цементобетонное покрытие;

2. Выравнивающий слой из песка, обработанного битумом;

3. Основание из щебня, обработанного 6% цемента;

4. Подстилающий слой из среднезернистого песка.

Введение

между подошвой покрытия и поверхностью щебня, укрепленного портландцементом, выравнивающего слоя из черного песка ослабляет силы трения — сцепления, а также значительно уменьшает передачу упругой энергии в грунт вследствие затухания и отражения вверх упругих колебаний, которые возникают при проезде автомобилей, что повышает устойчивость слоев основания.

Основание из щебня, укрепленного цементом, обеспечивает (благодаря работе такого основания как плиты) ровность и повышает несущую способность покрытия. Поэтому предусматриваем укрепление щебня основания 6% портландцемента.

Поскольку в составе транспортного потока наибольшую нагрузку на ось имеют автомобили МАЗ-502 (100 кН), эту нагрузку принимаем в качестве расчетной. Среднее расчетное давление от этой нагрузки на покрытие 0,6 МПа, расчетный диаметр следа колеса D = 33 см.

Расчет модуля упругости основания

Расчетная влажность (в долях от границы текучести Wт) для песка пылеватого Wт = 0,62. Этой расчетной влажности соответствуют характеристики грунта:

Егр = 67 МПа;

= 36;

С = 0,013 МПа;

Досн = Д0 + h;

Д0 — диаметр круга, равновеликого по площади отпечатку колеса расчетного автомобиля, см;

h — толщина плиты, первоначально назначаемая ориентировочно, а затем уточняемая расчетом, см.

Модуль упругости материалов: песка среднезернистого Е1 = 120 МПа; щебня, укрепленного 6%портландцемента Е2 = 600 МПа.

Для дальнейших расчетов задаемся несколькими толщинами бетонного покрытия:

h1 = 22 см h2 = 24 см h3 = 26 см Для каждой из них определяем модуль упругости основания.

1. Для h = 22 см Досн = Д0 + h1 = 33 + 22 = 55 см

h'1 /Досн = 30/55 = 0,55

Е0/Е1 = 67/120 = 0,56

Е'1/Е1 = 0,70 Е'1 = Е1 0,7 = 120 0,7 = 84 МПа

h'2 = 18 см

h'2 /Досн = 18/55 = 0,33 Е'1/Е2 = 84/600 = 0,14 Е'2/Е2 = 0,21

Е2 = Еосн = Е2 0,21 = 600 0,21 = 126 МПа.

2. Для h = 24 см Досн = Д0 + h1 = 33 + 24 = 57 см

h'1 /Досн = 30/57 = 0,53

Е0/Е1 = 67/120 = 0,56

Е'1/Е1 = 0,69 Е'1 = 120 0,69 = 82,8 МПа

h'2 = 18 см

h'2 /Досн = 18/57 = 0,32 Е'1/Е2 = 82,8/600 = 0,13 Е''2/Е2 = 0,20

Е'2 = Еосн = Е2 0,20 = 600 0,20 = 120 МПа.

3. Для h = 26 см Досн = Д0 + h1 = 33 + 26 = 59 см

h'1 /Досн = 30/59 = 0,51

Е0/Е1 = 67/120 = 0,56

Е'1/Е1 = 0,68 Е'1 = 120 0,68 = 81,6 МПа

h'2 = 18 см

h'2 /Досн = 18/59 = 0,31 Е'1/Е2 = 81,6/600 = 0,13 Е''2/Е2 = 0,19

Е'2 = Еосн = Е2 0,19 = 600 0,19 = 114 МПа.

Расчет напряжений в плите бетонного покрытия от автомобильной нагрузки

Плиты, лежащие на упругом основании, могут быть разделены по жесткости на три категории в зависимости от размера показателя:

где Еосн — эквивалентный модуль упругости основания, МПа;

осн — коэффициент Пуассона системы грунт + подстилающий слой + основание;

b — половина ширины плиты;

Еб — модуль упругости цементобетона в зависимости от проектной марки бетона на растяжение при изгибе.

Для принятой марки бетона при Rри = 5 МПа, Еб = 35 000 МПа.

б — коэффициент Пуассона цементобетона (б = 0,15).

1.

2.

3.

изгибающий момент от равномерно распределенной по кругу радиуса R нагрузки зависит от жесткости плиты, характеризуемой параметром жесткости:

Изгибающие моменты, действующие на полосу покрытий шириной, равной единице при расположении нагрузки в центре плиты

где Р — расчетная нагрузка сдвоенного колеса на покрытие;

R = Д/2 — радиус колеса, равновеликого площади отпечатка колеса, см;

С — коэффициент, зависящий от значений аR;

Напряжение в плите от автомобильной нагрузки:

Расчет напряжений в плите бетонного покрытия от температурного воздействия

Максимальную разность температур между поверхностью покрытия и основанием можно определить в зависимости от амплитуды колебаний температуры на поверхности покрытия

t = Ан [1-е-5,7h cos (-5,7h)] = Ан (h), где Ан — амплитуда отклонения максимальной температуры на поверхности покрытия от средней суточной температуры воздуха, Ан = 15.

По Уэстергарду, температурные напряжения, возникающие в плитах бетонных покрытий в результате противодействия их короблению, в середине плиты:

а — коэффициент линейного расширения цементобетона (а = 7,25 10−6 град-1 при 0 < t < 40);

сх и су — параметры, зависящие от размеров плиты в плане и ее жесткости.

Характеристика жесткости бетонного покрытия:

Расчет толщины бетонного покрытия

= 889,5

Число циклов нагружения за срок службы:

n — число суток в году, в продолжение которых осуществляется движение автомобилей заданного состава и интенсивности (n = 300);

q — знаменатель геометрической прогрессии, показывающий рост интенсивности движения за срок службы;

Т — срок службы покрытия в годах, Т = 30 лет;

Кп — коэффициент, учитывающий число полос движения;

Nпр — приведенная суточная интенсивность движения автомобилей разного веса к расчетному, авт/сут;

Число циклов нагружения Np определим с учетом изменения состояния грунта в течение года, изменение температурного градиента и распределение автомобилей по ширине полосы движения:

Np = N Кос Кпр Кt, где

Кос — коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости грунта;

Кпр — коэффициент приведения числа воздействий за счет изменения положения нагрузки оп ширине проезжей части;

Кt — коэффициент, учитывающий изменение температурного градиента в течение года;

Np = 12,4 106 1 0,5 0,002 = 12 400

Пользуясь уравнением кривой усталости, вычислим:

Ку = 1,08 Nр-0,063 = 1,08 12 400−0,063 = 0,67

Расчетное сопротивление бетона на растяжение при изгибе:

Rрасч = Rин Ку Ко Кнп = 5 0,67 0,8 1,25 = 3,35 МПа

График зависимости напряжений в цементобетонной плите от ее толщины

Глава V. Гидравлический расчет мостов и труб

Малые водопропускные сооружения устраивают в местах пересечения автомобильной дороги с ручьями, оврагами, по которым стекает вода от дождей и талая вода. Количество водопропускных сооружений зависит от климатических условий и рельефа местности. Трубы и мосты должны обеспечивать пропуск воды без вреда для дороги и дорожных сооружений.

Большую часть водопропускных сооружений составляют трубы. Они не меняют условия движения автомобилей, не стесняют проезжую часть и обочины и не требуют изменения типа дорожного покрытия.

Проектирование малых мостов и труб произведено на ЭВМ. Данные для расчета приведены ниже.

Проектирование малого моста 1 вариант

Расчетный расход (м3/с) 1,32

Скорость в сжатом сечении (м/с) 1,54

Глубина воды перед мостом (м) 0,35

Расчетное отверстие (м) 4,75

Количество пролетов 3

Строительная высота (м) 0,72

Минимальная высота моста (м) 1,28

Длина моста (м) 12,10

Тип береговых опор свайные опоры с заборными стенками Тип промежуточных опор свайные опоры Скорость потока за мостом (м3/с) 2,31

Длина укрепления (м) 7,92

Глубина ковша размыва (м) 0,32

Проектирование малого моста 2 вариант

Расчетный расход (м3/с) 1,44

Скорость в сжатом сечении (м/с) 1,54

Глубина воды перед мостом (м) 0,35

Расчетное отверстие (м) 5,15

Количество пролетов 3

Строительная высота (м) 0,72

Минимальная высота моста (м) 1,28

Длина моста (м) 12,10

Тип береговых опор свайные опоры с заборными стенками Тип промежуточных опор свайные опоры Скорость потока за мостом (м3/с) 2,31

Длина укрепления (м) 13,68

Глубина ковша размыва (м) 0,25

Проектирование труб 1 вариант

1) Расчетный расход (м3/с) 0,57

Режим работы трубы безнапорный Диаметр трубы (м) 0,75

Расход (м3/с) 0,60

Глубина воды перед трубой (м) 0,79

Скорость на выходе (м/с) 2,00

Тип оголовка портальный

2) Расчетный расход (м3/с) 2,99

Режим работы трубы полунапорный Диаметр трубы (м) 1,25

Расход (м3/с) 3

Глубина воды перед трубой (м) 1,59

Скорость на выходе (м/с) 4,10

Тип оголовка раструбный с нормальным входным звеном

3) Расчетный расход (м3/с) 0,97

Режим работы трубы полунапорный Диаметр трубы (м) 1

Расход (м3/с) 1,70

Глубина воды перед трубой (м) 1,27

Скорость на выходе (м/с) 3,60

Тип оголовка раструбный с нормальным входным звеном

Проектирование труб 2 вариант

1) Расчетный расход (м3/с) 0,57

Режим работы трубы полунапорный Диаметр трубы (м) 1,00

Расход (м3/с) 1,70

Глубина воды перед трубой (м) 1,27

Скорость на выходе (м/с) 3,60

Тип оголовка раструбный с нормальным входным звеном

2) Расчетный расход (м3/с) 1,45

Режим работы трубы полунапорный Диаметр трубы (м) 1,00

Расход (м3/с) 1,70

Глубина воды перед трубой (м) 1,27

Скорость на выходе (м/с) 3,60

Тип оголовка раструбный с нормальным входным звеном

3) Расчетный расход (м3/с) 1,07

Режим работы трубы полунапорный Диаметр трубы (м) 1,00

Расход (м3/с) 1,70

Глубина воды перед трубой (м) 1,27

Скорость на выходе (м/с) 3,60

Тип оголовка раструбный с нормальным входным звеном

4) Расчетный расход (м3/с) 0,76

Режим работы трубы полунапорный Диаметр трубы (м) 1,00

Расход (м3/с) 1,70

Глубина воды перед трубой (м) 1,27

Скорость на выходе (м/с) 3,60

Тип оголовка раструбный с нормальным входным звеном

5) Расчетный расход (м3/с) 1,41

Режим работы трубы полунапорный Диаметр трубы (м) 1,00

Расход (м3/с) 1,70

Глубина воды перед трубой (м) 1,27

Скорость на выходе (м/с) 3,60

Тип оголовка раструбный с нормальным входным звеном

6) Расчетный расход (м3/с) 1,63

Режим работы трубы полунапорный Диаметр трубы (м) 1,00

Расход (м3/с) 1,70

Глубина воды перед трубой (м) 1,27

Скорость на выходе (м/с) 3,60

Тип оголовка раструбный с нормальным входным звеном

Глава VI. Расчет вариантов проектных решений

Сравнение вариантов проектных решений

Вывод: по финансовым соображениям выбираем второй вариант, как экономически более выгодный.

Глава VII. Проект организации строительства

Разработка календарного графика