Проектирование дорожной одежды нежесткого и жесткого типов

Автомобильная дорога — капитальное линейное сооружение, включающее в себя земляное полотно, дорожную одежду, инженерные и искусственные сооружения, элементы обстановки дороги. При этом стоимость строительства дорожной одежды может составлять до 60% от стоимости всей дороги. Поэтому в процессе проектирования необходимо таким образом подбирать конструкцию дорожной одежды, чтобы она при обеспечении всех прочностных показателей была наиболее экономичной. Для этого подбираются к использованию местные строительные материалы и отходы промышленности; наиболее дорогостоящие материалы используют с минимальной толщиной, более дешевые — большей толщиной.

В курсовой работе будет рассчитано два варианта дорожной одежды нежесткого и два варианта жесткого типа. Для расчета производится подбор конструкций дорожных одежд в соответствии с требованиями к толщине слоев, модулям упругости смежных слоев, прочности основания дорожной конструкции.

По итогам проектирования будет произведено технико-экономическое сравнение и выбран наиболее экономичный вариант, подразумевающий наименьшие затраты на ремонт и содержание конструкции. Экономическое сравнение производится по укрупненным показателям.

1. Конструирование нежесткой дорожной одежды

Проектирование дорожной одежды представляет собой единый процесс конструирования и расчёта дорожной конструкции (системы дорожной одежды + рабочий слой земляного полотна) на прочность, морозоустойчивость и осушение с технико-экономическим обоснованием вариантов с целью выбора наиболее экономичного в данных условиях.

Методика конструирования дорожной одежды включает:

выбор вида покрытия;

назначение числа конструктивных слоев с выбором материалов для устройства слоев, размещение слоев в конструкции и назначение их ориентировочных толщин;

предварительная оценка необходимости назначение мер по осушению конструкции, а также по повышению трещиностойкости конструкций;

оценка целесообразности укрепления или улучшения верхней части рабочего слоя земляного полотна;

предварительный отбор конкурентоспособных вариантов с учётом местных природных и проектных условий работы.

Тип дорожной одежды и вид покрытия, конструкция одежды в целом должны удовлетворять транспортно-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к дороге соответствующей категории и ожидаемым в перспективе составу и интенсивности движения «течение заданных межремонтных сроков.

При выборе материалов для устройства слоев дорожной одежды необходимо учитывать следующие положения.

Покрытие и верхние слои основания должны соответствовать проектным воздействующим нагрузкам и быть водоморозеи термоустойчивыми. Асфальтобетонное покрытие должно быть, как правило, однослойным.

Минимальную конструктивную толщину покрытия назначают по нормам действующего СНиП, а толщину слоя асфальтобетонного основания определяют расчетами на прочность. Верхний слой покрытия проектируют из плотного и высокоплотного асфальтобетона.

В районах, недостаточно обеспеченных стандартными каменными материалами, целесообразно широко применять местные материалы (в том числе малопрочные и некондиционные и грунты, укрепленные неорганическим вяжущим (цемент, известь, активные золы и др.).

Основание из зернистых материалов должно быть, как правило, двухслойным: несущий слой из жестких и сдвигоустойчивых материалов (щебень, гравий, щебеночноили гравийно-песчаные смеси, материалы и грунты, укрепленные неорганическим вяжущим) и дополнительные слои, выполняющие дренирующий и теплоизолирующие функции.

Толщину слоев из материалов, содержащих органическое вяжущее и укладываемых на верхний слой основания нз материалов, укрепленных цементом, для ограничения появления «отраженных» трещин на покрытии, нужно принимать, как правило, не менее толщины слоев, укрепленных цементом, при этом минимальная толщина слоев с органическими вяжущими для капитальных типов дорожных одежд 18 см, для облегченных — 12 см.

Необходимо предусматривать в конструкции одежды меньшее число слоев из разных материалов (2−4 без учета дополнительных слоев).

Дорожные одежды облегченного типа с усовершенствованными покрытиями (асфальтобетонные, дегтебетонные, из черного щебня, из щебня, обработанного вяжущими по способу пропитки, из крупнообломочных материалов, из песчаных или супесчаных фунтов, обработанных в установке битумной эмульсией совместно с цементом) целесообразно применять на дорогах III, IV категорий.

Предварительно толщину покрытия из асфальтобетона облегченных дорожных одежд следует назначать 4−6 см, а при использовании других материалов в покрытии, кроме вышеперечисленных — 6−8 см.

Морозозащитные слои устраивают из стабильных зернистых материалов, таких как песок, песчано-гравийная смесь, гравий, щебень, шлаки и др., а также из грунтов, укрепленных вяжущими, или гидрофобизированных грунтов, или из других непучинистых материалов.

В случае устройства морозозащитного слоя из зернистых материалов с коэффициентом фильтрации не менее 1−2 м/сут он может также выполнять функцию дренирующего слоя. В этом случае морозозащитный слой нужно устраивать на всю ширину земляного полотна с выходом на откосы насыпи или с укладкой трубчатых дрен пли других водоотводящих устройств.

Дренирующие слои устраивают на участках с земляным полотном из не дренирующих грунтов во всех случаях при 3-ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна; при 1-ой и 2-ой схемах увлажнения в районах с большим количеством осадков (II — III ДКЗ), а также на участках, в основании проезжей части которых возможно скопление воды, проникающей с поверхности (участки с затяжными продольными уклонами, при сравнительно легко водопроницаемых грунтах обочин.).

Требуемый коэффициент фильтрации материала дренирующего слоя должен быть не менее 1 м/сут. и 2 м/сут. соответственно на участках дорог, проходящих в насыпи или низкой насыпи.

Строительство дорожной одежды производится в Калужской области. Область расположена в II дорожно-климатической зоне. Глубина промерзания грунтов в среднем составляет 120 см. Грунты земляного полотна — песок пылеватый. Расчетная интенсивность движения на перспективу 20 лет составляет 1150 авт/сут. Рост интенсивности движения составляет 4%.

дорога слой упругость прочность

2. Расчет дорожных одежд

2.1 Основные положения

Под прочностью дорожной одежды понимают способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием касательных и нормальных напряжений, поднимающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от расчётной нагрузки (кратковременной, многократной или длительно действующей однократной), приложенной к поверхности покрытия.

Прочность конструкции определяется по формуле:

(2.1)

где - требуемый общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчётной нагрузке;

— расчётный общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке.

При оценке прочности конструкции по слоям по допускаемым напряжениям коэффициент прочности определяют по формуле:

(2.2)

где — расчётные действующие напряжения (нормальные или касательные) от расчётной нагрузки;

— допустимые напряжения (нормальные или касательные) от расчётной нагрузки.

В задачу расчёта входит определение толщин слоев одежды, намеченных при конструировании, или выбор материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

Отказ дорожной одежды, связанный с недостаточной её прочностью, может возникнуть в результате:

накопления до истечения заданного срока службы конструкции недопустимых остаточных деформаций;

усталостных разрушений монолитных слоев конструкции под воздействием растягивающих напряжений от многократного приложения транспортной нагрузки.

В соответствии с этим расчёт конструкции в целом ведут по допустимом упругому прогибу (или требуемому общему модулю упругости), а расчёт на прочность в слоях выполняют по допускаемым напряжениям на сдвиг в слоях с пониженной сопротивляемостью сдвигу (слабосвязанные материалы — грунт, песок и др.) и на растяжение при изгибе в монолитных слоях (материалы, укрепленные вяжущими).

При проектировании дорожной одежды задают интенсивность движения па перспективу 20 лет, долю движения легковых и грузовых автомобилей и процентах, состав движения грузовых автомобилей и автобусов, среднегодовой рост интенсивности движения.

2.2 Определение категории автомобильной дороги

Интенсивность движения на перспективу 20 лет составляет 1150 авт/сут.

Интенсивность грузового движения:

Определим приведенную интенсивность движения:

(2.3)

где — интенсивность движения автомобилей данной грузоподъемности;

— коэффициент приведения к легковому автомобилю.

Таблица 2.1 — Расчет приведенной к легковому автомобилю интенсивности движения

По приведенной интенсивности движения делаем вывод, что дорога относится к IY технической категории (200- 2000 авт/сут).

2.3 Определение расчетной интенсивности и общего модуля упругости дорожной одежды

За расчетную принимается нагрузка группы А. Расчетная интенсивность — это приведенное к расчетной нагрузке среднесуточное число приложений всех колес грузовых автомобилей, расположенных по одному борту расчетного автомобиля, в пределах одной полосы проезжей части на конец срока службы.

Величину приведенной интенсивности движения на последний срок службы дорожной одежды определяют по формуле:

ед/сут (2.4)

где — коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним;

n — общее число расчетных марок автомобилей;

— интенсивность движения в сутки в обоих направлениях автомобилей данной грузоподъемности;

— суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортных средств каждой грузоподъемности.

Расчетный срок службы для дороги IY категории, II ДКЗ и облегченном типе покрытия — 10 лет.

Интенсивность движения расчетных автомобилей в исходном году:

(2.5) (2.6)

где — расчетная перспективная интенсивность движения на 20 лет;

— интенсивность движения расчетных автомобилей в исходном году;

Р — ежегодный рост интенсивности в %.

Определяем расчетную интенсивность движения на одну полосу:

Таблица 3.2 — Определение приведенной интенсивности движения на расчетный срок службы (расчетное число автомобилей 618 авт/сут)

За срок службы дорожной одежды суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки на поверхность конструкции определяется по формуле:

(2.7)

где — число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции (125 дней);

— коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (1,26), определяемы по таблице 3.7 методических указаний;

— показатель изменения интенсивности движения автомобилей по годам;

— коэффициент суммирования (= 12 — по таблице П. 6.3 [4]).

Величину минимального требуемого модуля упругости конструкции вычисляем по формуле:

МПа (2.8)

где — суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды;

С — эмпирический коэффициент для нагрузки 100 кН равный 3,55.

Общий модуль упругости находим по формуле:

(2.9)

где — требуемый коэффициент прочности дорожной одежды (приложение 1 методических указаний)

— минимальный требуемый модуль упругости конструкции (150 МПа)

2.4 Определение расчетных характеристик грунта рабочего слоя земляного полотна

Для грунта земляного полотна (песок пылеватый) и Калужской области, при 2 схеме увлажнения определяем следующие характеристики:

Дорожно — климатическая зона и подзона 2₂;

Среднее значение влажности грунта (таблица П. 2.1. ОДН) — 0,62;

Сцепление с = 0,004 МПа;

Угол внутреннего трения ц = 14⁰;

Модуль упругости грунта при данных характеристиках Е = 80 МПа;

Для дренирующего слоя выбираем песок средней крупности с характеристиками:

Сцепление с = 0,003 МПа;

Угол внутреннего трения ц = 30⁰;

Модуль упругости грунта при данных характеристиках Е = 120МПа.

2.5 Расчет толщины дренирующего слоя

В зависимости от конкретных условий, дренажная конструкция может быть рассчитана на один из трех вариантов работы:

работа на осушение, когда дренирующий слой устраивается из крупнозернистого песка с коэффициентом фильтрации более 10м/сут.;

работа на осушение с периодом запаздывания отвода воды (происходит оттаивание обочин и отвод воды).

Полную толщину дренирующего слоя определяют по формуле:

(2.10)

где — толщина слоя, полностью насыщенного водой, м;

— дополнительная толщина слоя, зависящая от капиллярных свойств материала и равная для песков крупных 0,10−0,12 м, средней крупности 0,14−0,15 м и мелких 0,18−0,20 м. Во всех случаях полную толщину дренирующего слоя следует принимать не менее 0,20 м.

Для дренирующего слоя, работающего по принципу осушения с периодом запаздывания отвода воды, достаточного для временного размещения в его порах поступающей в конструкцию в начальный период её оттаивания, определяют по формуле:

(2.11)

где Т_ЗАП — средняя продолжительность запаздывания начала работы водоотводящих устройств, принимаемая для II ДКЗ равной 4−6 суток.

— коэффициент заполнения пор влагой в материале дренирующего слои к началу оттаивания;

q_р — расчётноезначение воды, поступающей за сутки, определяемое по формуле:

(2.12)

где — осредненное значение притока воды в дренирующий слой за сутки;

К_П — коэффициент пик, учитывающий неустановившийся режим поступления воды из-за неравномерного оттаивания и выпадения осадков;

К_Г — коэффициент гидрологического запаса, учитывающий снижение фильтрационной способности дренирующего слоя в процессе эксплуатации дороги;

К_ВОГ — коэффициент, учитывающий накопление воды в местах изменения продольного уклона.

Полная толщина слоя песка:

В расчетах примем толщину дренирующего слоя не менее 32 см.

3. Конструирование дорожной одежды. Выбор материалов и расчет

Исходные данные к проектированию первого варианта нежестких одежд представим в виде таблицы 3.1.

Таблица 3.1 — Характеристики материалов (вариант1)

3.1 Расчет по допустимому упругому прогибу

Расчет по допускаемому упругому прогибу ведем послойно, начиная сверху вниз по номограмме рисунка 3.1 ОДН.

1)

По приложению 1 таблица П. 1.1 р = 0,6 МПа, D = 37 см

по номограмме:

МПа

2)

МПа Далее производим расчет снизу вверх:

3)

МПа

4)

см Общая толщина конструкции 5+12+20+37 = 74 см Выбранная конструкция удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу:

3.2 Расчет по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев

Дорожную одежду проектируют из расчета, чтобы под действием кратковременных или длительных нагрузок в подстилающем грунте или малосвязных (песчаных) слоях за весь срок службы не накапливались недопустимые остаточные деформации формоизменения. Недопустимые деформации сдвига в конструкции не будут накапливаться, если в грунте земляного полотна и в малосвязных (песчаных) слоях обеспечено условие:

(3.1)

где К_р — требуемое минимальное значение коэффициента прочности, определяемое с учетом заданного уровня надежности;

Т -расчетное активное напряжение сдвига (часть сдвигающего напряжения, непогашенная внутренним трением) в расчетной (наиболее опасной) точке конструкции от действующей временной нагрузки;

Т_пр -предельная величина активного напряжения сдвига (в той же точке), превышение которой вызывает нарушение прочности на сдвиг.

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляют как средневзвешенный по формуле:

:, (3.2)

где п — число слоев дорожной одежды;

E_i — модуль упругости i-го слоя;

h_i — толщина i-го слоя.

При расчете дорожных одежд по условию сдвигоустойчивости значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, принимают соответствующими температурам, указанным в таблице 3.2.

Таблица 3.2 — Расчетные температуры воздуха

Действующие в грунте или в песчаном слое активные напряжения сдвига (Т) вычисляют по формуле:

Т = р, (3.3)

где — удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки, определяемое с помощью номограмм;

р — расчетное давление от колеса на покрытие.

Предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя (или в песчаном материале промежуточного слоя) определяют по формуле [4]:

T_np = с_Nk_д + 0,1_срz_опtg_СТ, (3.4)

где с_N — сцепление в грунте земляного полотна (или в промежуточном песчаном слое), МПа, принимаемое с учетом повторяемости;

k_д — коэффициент, учитывающий особенности работы конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания. При устройстве нижнего слоя из укрепленных материалов, а также при укладке на границе «основание — песчаный слой» разделяющей геотекстильной прослойки, следует принимать значения k_д равным:

— 4,5 — при использовании в песчаном слое крупного песка;

— 4,0 — при использовании в песчаном слое песка средней крупности;

— 3,0 — при использовании в песчаном слое мелкого песка;

— 1,0 — во всех остальных случаях.

z_оп — глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость, от верха конструкции, см;

_ср — средневзвешенный удельный вес конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя, кг/см³;

_СТ — расчетная величина угла внутреннего трения материала проверяемого слоя при статическом действии нагрузки.

Во всех случаях в качестве расчетных значений угла внутреннего трения грунта и малосвязных слоев используют его значения, отвечающие расчетному суммарному числу воздействия нагрузки за межремонтный срок N_p.

Расчет дорожной одежды по сопротивлению сдвигу в грунте земляного полотна, а также в песчаных материалах промежуточных слоев дорожных одежд ведут в следующей последовательности:

а) назначают расчетные модули упругости для слоев из асфальтобетона, соответствующие максимально возможным температурам в ранний весенний (расчетный) период (в соответствии с указаниями); назначают (с учетом расчетной влажности и общего числа воздействия нагрузки) расчетные прочностные характеристики и с грунта земляного полотна и песка промежуточного слоя одежды (если таковой имеется). Остальные расчетные характеристики грунта и материалов остаются теми же, что и в расчете по упругому прогибу;

б) определяют активные напряжения сдвига от единичной временной нагрузки. Для этого приводят многослойную конструкцию к двухслойным моделям

в) вычисляют расчетное напряжение сдвига в грунте земляного полотна или в песчаном слое одежды;

г) вычисляют предельное напряжение сдвига;

д) проверяют выполнение условия прочности (с учетом требуемой надежности);

е) при необходимости, изменяя толщины конструктивных слоев, подбирают конструкцию, удовлетворяющую условию прочности.

Рассчитываем конструкцию по условию сдвигоустройчивости в грунте.

В качестве нижнего слоя модели принимаем грунт со следующими характеристиками: (при W_p = 0,62 W_Т Е_н = 80 МПа, = 14° и с = 0,004 МПа.

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляем по формуле:

Значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, назначаем по таблице П. 3.2 при расчетной температуре +20 °С.

По отношениям и и при = 14° с помощью номограммы находим удельное активное напряжение сдвига: = 0,016 МПа.

Т = 0,0160,6 = 0,0096МПа.

Предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя определяем по формуле (3.4), где С_N = 0,004 МПа, К_д = 1,0.

Z_оп = 74 см.

_ст = 14

y_cp = 0,002 кг/см²

0,1 — коэффициент для перевода в МПа Т_пр = 1,0*(0,004 + 0,10,00274tg 34°)= 0,0108 МПа

что больше

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу в грунте.

Рассчитываем конструкцию по условию сдвигоустойчивости в песчаном слое основания.

Для определения предварительно назначенную дорожную конструкцию приводим к двухслойной расчетной модели.

Нижнему слою модели присваивают следующие характеристики:; = 30° и с = 0,003 МПа.

Модуль упругости верхнего слоя модели:

МПа.

По отношениям и и при = 30° с помощью номограммы находим удельное активное напряжение сдвига: = 0,032 МПа.

Т = 0,0320,6 = 0,0192 МПа.

Предельное активное напряжение сдвига Т_пр в песчаном слое определяем по формуле (где С_N = 0,003 МПа, К_о = 4,0).

Z_оп = 37 см.

_ст = 30

y_cp = 0,002 кг/см²

Т_пр = 4(0,003 + 0,10,00237tg 30°) = 0,0308 МПа

следовательно, условие по сдвигоустойчивости в песчаном слое основания выполнено.

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

В монолитных слоях дорожной одежды (из асфальтобетона, дегтебетона, материалов и грунтов, укрепленных комплексными и неорганическими вяжущими и др.), 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:

_{, (3.5)}

где — требуемый коэффициент прочности с учетом заданного уровня надежности

R_N — прочность материала слоя на растяжение при изгибе с учетом усталостных явлений;

_r — наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое, устанавливаемое расчетом.

При использовании номограммы рисунок 3.4 расчетное растягивающее напряжение определяют по формуле:

(3.6)

где _r — растягивающее напряжение от единичной нагрузки при расчетных диаметрах площадки, передающей нагрузку, определяемое по номограмме.

к_в — коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия конструкции под спаренным баллоном. Принимают равным 0,85 (при расчете на однобаллонное колесо к_в = 1,00);

р — расчетное давление.

Прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе определяют по формуле:

R_N = R_ok₁k₂(1 — v_Rt), (3.7)

где R_o — нормативное значение предельного сопротивления растяжению (прочность) при изгибе при расчетной низкой весенней температуре при однократном приложении нагрузки, принимаемое по табличным данным (k₁ -коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки;

k₂ -коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов

v_R -коэффициент вариации прочности на растяжение (приложение 4) [4];

t -коэффициент нормативного отклонения (приложение 4).

Коэффициент k₁, отражающий влияние на прочность усталостных процессов, вычисляют по выражению:

(3.8)

где N_p — расчетное суммарное число приложений расчетной нагрузки за срок службы монолитного покрытия;

m — показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя;

— коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения во времени расчетной (низкой) температуры покрытия и расчетного состояния грунта рабочего слоя по влажности.

Расчет выполняем в следующем порядке:

а) Приводим конструкцию к двухслойной модели, где нижний слой модели — часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев, т. е. щебеночное основание и грунт рабочего слоя.

Модуль упругости нижнего слоя модели определяем по номограмме как общий модуль для двухслойной системы.

Е_н = = 160 МПа

Модуль упругости верхнего слоя устанавливаем по формуле:

МПа.

б) По отношениям и по номограмме определяем = 3,2МПа Расчетное растягивающее напряжение вычисляем

= 3,2* 0,6* 0,85 = 1,63 МПа.

в) Вычисляем предельное растягивающее напряжение при R_o = 9,8 МПа

v_R = 0,10 (таблица П. 4.1 [4])

t = 1,71 (таблица П. 4.2 [4])

(3.9)

R_N = 9,80,310,95(1 — 0,11,71) = 2,39 МПа.

г) = 1,47, что больше, чем = 1,0

Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет всем критериям прочности.

3.4 Расчет конструкции дорожной одежды на морозоустойчивость

В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях, наряду с требуемой прочностью и устойчивостью должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожных одежд.

С этой целью применяют различные специальные мероприятия:

— использование непучинистых или слабопучинистых грунтов для сооружения верхней части земляного полотна, находящегося в зоне промерзания;

— осушение рабочего слоя земляного полотна, в том числе устройство дренажа для увеличения расстояния от низа дорожной одежды до уровня подземных вод; устройство гидроизолирующих или капилляропрерывающих прослоек для перехода от 2-ой или 3-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна к 1-й схеме;

— устройство морозозащитного слоя из непучинистых минеральных материалов, в т. ч. укрепленных малыми дозами минеральных или органических вяжущих;

— устройство теплоизолирующих слоев, снижающих глубину или полностью исключающих промерзание грунта под дорожной одеждой;

— устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа тощего бетона или других зернистых материалов, обработанных минеральным или органическим вяжущим).

Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие:

l_пуч l_доп, (3.10)

где l_пуч — расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;

l_доп — допускаемое для данной конструкции пучение грунта.

Расчет на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово — гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

При предварительной проверке на морозоустойчивость величину возможного морозного пучения следует определять по формуле:

l_пуч = l_{пуч ср}К_УГВ К_пл К_грК_нагрК_вл, (3.11)

где l_{пуч ср} — величина морозного пучения при осредненных условиях, определяемая по рисунку 4.4 в зависимости от толщины дорожной одежды (включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени пучинистости (таблица 4.1 [4]) и глубины промерзания (z_пp);

К_УГВ — коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод (Н_у) при отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать:

для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка К_УГВ = 0,53; для песка и супеси легкой и крупной К_УГВ = 0,43;

К_пл -коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя;

К_гр -коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки;

К_нагр -коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания (рисунок 4.2 [4]);

К_вл -коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (таблица 4.6 [4]).

Если данные натурных наблюдений отсутствуют, глубину промерзания дорожной конструкции допускается определять по формуле:

z_пp = z_пp(cp) 1,38, (3.12)

где z_пp(cp) — средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (рисунок 4.4 [4]).

По карте определяем среднюю глубину промерзания z_пp(cp) для условий г. Калуги и умножаем ее на поправочный коэффициент и находим таким образом глубину промерзания дорожной конструкции z_пp:

Z_пp = 1,41,38 = 1,93 м

Для глубины промерзания 2,0 м по номограмме по кривой для сильнопучинистых грунтов (группа V) при толщине дорожной одежды 0,74 м определяем величину морозного пучения для осредненных условий l_пуч.ср = 8 см.

По таблицам и графикам находим коэффициенты:

К_угв = 0,5 К_пл = 1,0 К_гр = 1,0 К_нагр = 0,9 К_вл = 1,1

Определяем величину морозного пучения для данной конструкции:

l_пуч = l_пуч.срК_угвК_плК_грК_нагрК_вл = 80,50,91,11,01,0 = 3,96 (см).

Поскольку для данного типа дорожных одежд допустимая величина пучения составляет 4 см дополнительного морозозащитного слоя устраивать не требуется.

3.5 Расчет второго варианта конструкции

Таблица 3.3 — Характеристики материалов (вариант2)

Произведем расчет сверху вниз:

МПа

2)

МПа Расчет снизу вверх:

3)

МПа

4)

МПа Условие прочности на упругий прогиб выполнено.

Общая толщина дорожной одежды — 83 см.

Рассчитываем конструкцию по условию сдвигоустойчивости в грунте.

Для определения предварительно назначенную дорожную конструкцию приводим к двухслойной расчетной модели.

В качестве нижнего слоя модели принимаем грунт со следующими характеристиками: (при W_p = 0,62 W_Т Е_н = 80 МПа, = 14° и с = 0,004 МПа

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляем по формуле:

По отношениям и и при = 14° с помощью номограммы (рисунок 3.3 [4]) находим удельное активное напряжение сдвига:

= 0,013МПа.

Т = 0,0130,6 = 0,0078 МПа.

Предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя определяем по формуле (4.4), где С_N = 0,009 МПа, К_д = 1,0.

Z_оп = 83 см, _ст = 34 y_cp = 0,002 кг/см²

0,1 — коэффициент для перевода в МПа.

Т_пр = 1,0(0,006 + 0,10,00283tg 34°)= 0,012,

что больше

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу в грунте.

3.6 Расчет по условию сдвигоустойчивости в песчаном слое основания

Нижнему слою модели присваивают следующие характеристики:

МПа; = 30° и с = 0,003 МПа

Модуль упругости верхнего слоя модели:

МПа.

По отношениям и и при = 30° с помощью номограммы находим удельное активное напряжение сдвига: = 0,0212 МПа.

Т = 0,2 120,6 = 0,0127 МПа.

Предельное активное напряжение сдвига Т_пр в песчаном слое определяем по формуле (где С_N = 0,003 МПа, К_о = 4,0).

Z_оп = 46 см.

_ст = 30

y_cp = 0,002 кг/см²

Т_пр = 4(0,003 + 0,10,00246tg 30°) = 0,0332 МПа

следовательно, условие по сдвигоустойчивости в песчаном слое основания выполнено.

3.7 Расчет конструкции дорожной одежды на морозоустойчивость

По карте определяем среднюю глубину промерзания z_пp(cp) для условий г. Калуга и умножаем ее на поправочный коэффициент и находим таким образом глубину промерзания дорожной конструкции z_пp:

Z_пp = 1,41,38 = 1,93 м

Для глубины промерзания 2,0 м по номограмме по кривой для сильнопучинистых грунтов (группа V) при толщине дорожной одежды 0,83 м определяем величину морозного пучения для осредненных условий l_пуч.ср = 8,5 см.

По таблицам и графикам находим коэффициенты:

К_угв = 0,5 К_пл = 1,0 К_гр = 1,0 К_нагр = 0,9 К_вл = 1,1

Определяем величину морозного пучения для данной конструкции:

l_пуч = l_пуч.срК_угвК_плК_грК_нагрК_вл = 8,50,50,91,11,01,0 = 4,6 (см).

Поскольку для данного типа дорожных одежд допустимая величина пучения составляет 6 см дополнительного морозозащитного слоя устраивать не требуется.

4 Проектирование жестких дорожных одежд

4.1 Конструирование жестких дорожных одежд

Цель конструирования дорожной одежды — выбрать материалы, определить количество слоев и их размещение по глубине. При этом необходимо:

— предусматривать максимальное использование местных строительных материалов;

— стремиться к уменьшению количества слоев;

— предусматривать проезд построечного транспорта по основанию;

— обеспечивать соответствие конструкции дорожной одежды технологии ее строительства и наибольшую механизацию работ;

— учитывать категорию дороги, состав транспортного потока, интенсивность движения, напряженное состояние и механизм деформирования отдельных слоев и конструктивных элементов;

— устанавливать срок службы покрытия и всей дорожной одежды до капитального ремонта;

— учитывать природно-климатические и гидрологические условия местности (включая возведение высоких насыпей);

— наличие скальных грунтов, болот и т. д.

Выравнивающий слой предназначен для устранения неровностей основания и обеспечения возможности перемещения плит покрытия при изменении температуры. Если неровности основания не превышают 1 см, то допускается не устраивать выравнивающий слой, а применять слой, прерывающий сцепление плит с основанием и служащий изолятором против высыхания бетона в раннем возрасте и появления в покрытии усадочных трещин.

Выравнивающие слои устраивают из укрепленного вяжущим песка. Если этот слой впитывает воду из бетонной смеси, то его закрывают изолирующим слоем или увлажняют, непосредственно перед укладкой бетонной смеси в покрытие.

Толщину и вид основания определяют расчетом.

При низкой интенсивности автомобильного движения и при строительстве покрытий легкими бетоноукладочными машинами с боковой или центральной загрузкой основание может быть песчаным, выполняющим одновременно роль дренажного и морозозащитного слоя.

Для исключения образования в слое песчаного основания колей от автомобилей-самосвалов основание должно быть укреплено путем устройства слоя из щебня, шлака или гравия толщиной 10 — 12 см, причем только в местах пропуска автомобилей-самосвалов, подвозящих цементобетонную смесь.

Минимальная толщина основания из бетона низкой прочности — 14 см; из нерудных материалов, укрепленных неорганическими вяжущими, 16 см; из щебня, шлака или гравия — 15 см.

Дополнительный слой основания устраивают из дренирующих, не подверженных пучению материалов (песок, шлак, вывески, ракушечник и пр.).

Дополнительный слой основания должен иметь водослив — сплошные или прерывистые выходы дренирующего материала на откосы земляного полотна и нижнюю плоскость (поверхность земляного полотна) с поперечным уклоном.

В покрытии устраивают продольные и поперечные швы (сжатия и расширения), делящие покрытие на плиты определенной длины и ширины.

В конце рабочей смены или при длительных перерывах в бетонировании (более 2 — 4 ч) устраивают рабочие швы по типу швов сжатия и при необходимости швы расширения.

Для предохранения покрытия от трещинообразования в раннем возрасте часть швов сжатия устраивают как контрольные и в первую очередь в свежеуложенном бетоне.

В швах предусматривают штыревые соединения. Пазы швов заполняют герметизирующим материалом.

4.2 Расчет жестких дорожных одежд

Дорожные одежды рассчитывают с учетом состава транспортного потока перспективной интенсивности движения к концу срока службы, грунтовых и природно-климатических условий.

Расчет производят в следующих случаях:

— при проектировании дорожных одежд;

— при определении возможности разового пропуска тяжелых нагрузок по существующему покрытию;

— при определении рациональности новых конструктивных решений.

Расчет выполняют по предельным состояниям, определяющим потерю работоспособности того или иного элемента конструкции, на основании расчетных схем, используя нормируемые расчетные параметры.

Расчет ведется путем проверок предварительно назначенной конструкции дорожной одежды:

— по прочности верхних слоев дорожной одежды;

— по прочности и устойчивости земляного полотна и слоев основания на сдвиг и по накоплению уступов и поперечных швах покрытия;

— по устойчивости и продольном направлении покрытия в жаркое время года, по прочности стыковых и монтажных соединений;

— по устойчивости дорожной одежды к воздействию морозного пучения;

— по способности дренирующего слоя основания отводить влагу в весенний период.

Расчетом определяются толщины покрытия и слоев основания, расстояние между поперечными швами, количество штырей в швах расширения и сжатия.

Исходные данные для расчета дорожной одежды включают:

— параметры дороги (категория, ширина проезжей части, срок службы дорожной одежды до капитального ремонта);

— параметры движения (интенсивность, нагрузка);

— параметры земляного полотна и условия его работы (тип местности, разновидности грунтов, уровень грунтовых вод);

— дорожно-климатическую зону.

4.2.1 Расчетные нагрузки

Покрытие рассчитывают на воздействие расчетной колесной нагрузки Р, которая определяется умножением нормативной нагрузки на опору (колесо) Р_к на коэффициент динамичности т:

Р = Р_к m_Д, (4.1)

Для дорог общей сети Р_к = 50 кН, m_Д = 1,2.

Все полосы проезжей части и боковые укрепленные полосы проектируют на одну и ту же нагрузку. Исключением являются полосы дорог с ограничениями по условиям движения по направлениям (дороги карьеров, подъездов к промышленным и строительным объектам).

4.3 Расчет монолитных цементобетонных покрытий

Расчетная нагрузка на колесо определяется с учетом коэффициента динамичности К_Д =1,2

Р=Р_Н *К_Д = 50 *1,2 = 60 кН

Назначаем конструкцию дорожной одежды: покрытие толщиной 18,20,22 и 24 см, основание из щебня фракционированного толщиной 16 см; грунт, укрепленный органическим вяжущим, толщиной 20 см; подстилающий слой из песка средней крупности толщиной 37 см; грунт земляного полотна — супесь пылеватая.

Определяем расчетные модули упругости на границах слоев оснований по известным формулам:

При толщине плиты 18 см Д = 55 см

1)

МПа

2)

МПа

3)

МПа Назначаем длину плиты в зависимости от толщины покрытия и климатических условий. Для плиты толщиной 22 см принимаем длину 5,0 м. Для остальных плит — 6,0 м.

Изгибающий момент для покрытий определяются по формуле:

(4.2)

где Р — расчетная нагрузка на колесо, 60 кН;

(4.3)

(4.4)

Для плиты толщиной 18 см:

Таблица 4.1 — Результаты расчета отдельных параметров

Максимальное температурное напряжение у_т в плитах определяется по формуле:

(4.5)

где б — коэффициент линейного расширения и модуль упругости бетона;

— линейный перепад температур между поверхностью и подошвой плиты, принимаемый из опыта 0,5h;

С_Х — коэффициент коробления плиты, определяемый по графику.

Так, для плиты 22 см =0.5*18 = 9

Для плит другой толщины результаты представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 — Промежуточные результаты расчета

Фактическое суммарное число проходов расчетных осей автомобилей по расчетной полосе покрытия за срок службы определяется по формуле:

(4.6)

где (4.7)

где в — коэффициент приведения автомобилей к единой расчетной нагрузке на колесо Р;

N_ПА — повторяемость проходов осей автомобилей данной марки за срок службы покрытия;

П_с — число расчетных суток в году от начала протаивания до промерзания грунтов основания;

С — срок службы покрытия.

К_и — коэффициент перехода от осевой нагрузки приведенного автомобиля к осевой нагрузке расчетного автомобиля.

Результаты расчетов сводим в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 — Окончательные результаты расчета

Рисунок 4.1 — Определение требуемой толщины плиты В данном случае требуется плита толщиной 20 см.

4.4 Расчет конструкции дорожной одежды на морозоустойчивость

По карте определяем среднюю глубину промерзания z_пp(cp) для условий проектирования и умножаем ее на поправочный коэффициент и находим таким образом глубину промерзания дорожной конструкции z_пp:

Z_пp = 2,0 м.

Для глубины промерзания 2,0 м по номограмме по кривой для сильнопучинистых грунтов (группа V) определяем величину морозного пучения для осредненных условий l_пуч.ср = 10,0 см.

По таблицам и графикам находим коэффициенты:

К_угв = 0,5 К_пл = 1,0 К_гр = 1,1 К_нагр = 0,9 К_вл = 1,0

Определяем величину морозного пучения для данной конструкции:

l_пуч = l_пуч.срК_угвК_плК_грК_нагрК_вл = 10 0,5 1,0 * 1,1 0,9 1,0 = 5,4 (см).

Поскольку для данного типа дорожных одежд допустимая величина пучения составляет 2 см, требуется устройство дополнительного морозозащитного слоя.

По номограмме определим необходимую толщину дорожной одежды, которая составила 1,40 м. Таким образом, толщина морозозащитного слоя должна составить h_мрз = 1,4 — 0,91=0,49 м Для уточнения этой толщины задаемся толщиной морозозащитного слоя равной 40 см. Применяем в качестве морозозащитного слоя песок средней крупности.

Определим термическое сопротивление дорожной одежды без морозозащитного слоя:

По карте изолиний определим номер изолинии — V, по таблице руководства по расчету дорожной одежды для чрезмерно пучинистого грунта при помощи интерполяции определяем С = 0,55.

Вычисляем отношение l_доп /С_пуч*С_р=2/(1,8*0,55)=2,02 см По номограмме определяем методом интерполяции приведенное термическое сопротивление, равное 2,1 м²К/Вт.

Разница между полученным и заданным значением толщины морозозащитного слоя не превышает 5 см. Поэтому принимаем ее равной 40 см.

Произведем расчет второго варианта дорожной одежды жесткого типа Принимаем конструкцию основания:

— цементобетонное покрытие

— черный щебень — 16 см;

— щебень шлаковый рядовой — 18 см;

— песок средней крупности — 37 см;

— грунт земляного полотна — песок пылеватый.

Определяем расчетные модули упругости на границах слоев оснований по известным формулам:

При толщине плиты 18 см

1)

МПа

2)

МПа

3)

МПа Назначаем длину плиты в зависимости от толщины покрытия и климатических условий. Для плиты толщиной 18 см принимаем длину 5,0 м. Для остальных плит — 6,0 м.

Таблица 4.4 — Результаты расчета отдельных параметров

Максимальное температурное напряжение у_т в плитах определяется по формуле:

Для плит другой толщины результаты представлены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 — Промежуточные результаты расчета

Таблица 4.6 — Окончательные результаты расчета

Определяем необходимую толщину плиты на основании графика:

Рисунок 4.2 — Определение требуемой толщины плиты В данном случае требуется плита толщиной 20 см.

5. Технико-экономическое сравнение вариантов дорожных одежд

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 приведенным суммарным затратам, которые рассчитываются по формуле:

(5.1)

где Е_Н — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений

(Е_Н =0,30)

Е_НП — нормативный коэффициент приведения (0,08)

К_ДОР — сметная стоимость одного километра дорожной одежды, тыс. руб.

С_КР — затраты на восстановление прочности, тыс. руб.

Т_КР — год выполнения ремонта.

— коэффициент приведения затрат.

С_СР.Р — затраты на восстановление шероховатости и ровности, тыс. руб.

Р — процент прироста интенсивности движения С_Т.Р — затраты на текущий ремонт и содержание, тыс. руб.

Межремонтные сроки составляют:

— для асфальтобетонного покрытия 16 лет для капитального ремонта и 8 лет для текущего ремонта покрытия.

Для цементобетонного покрытия 25 лет для капитального ремонта и 12 лет для текущего ремонта покрытия.

Стоимость асфальтобетонной конструкции № 1 составляет 8,65 руб, № 2 — 7,84 тыс. руб. Стоимость всей конструкции на 1 км составит 91,5 млн руб. и 87,3 млн руб. соответственно. Более экономичный — второй вариант дорожной одежды нежесткого типа.

Стоимость восстановления прочности асфальтобетонного покрытия составляет: 87,3*0,49 = 42,78 млн руб.

Стоимость восстановления ровности и шероховатости асфальтобетонного покрытия 87,3*0,08=6,98 млн руб.

Стоимость содержания дороги с асфальтобетонным покрытием: 87,3*0,0159=1,39 млн руб.

Суммарные приведенные затраты:

Стоимость цементобетонной конструкции 3 1 — 13,84 тыс. руб., № 2 составляет 14,13 тыс. руб. Стоимость всей конструкции — 141,74 млн руб. и 142,38 соответственно. Более выгоден первый вариант цементобетонной конструкции.

Стоимость восстановления прочности цементобетонного покрытия составляет: 141,74*0,43=60,95 млн руб.

Стоимость восстановления ровности и шероховатости цементобетонного покрытия: 141,74*0,07 = 9,92 млн руб.

Стоимость содержания дороги с цементобетонным покрытием: 141,74*0,0192=2,72 млн руб.

Приведенные суммарные затраты для варианта с цементобетонным покрытием составят:

В результате технико-экономического сравнения лучшим оказался вариант № 1 с цементобетонным покрытием, который и принимается к строительству.

Заключение

В курсовой работе были рассмотрены следующие вопросы:

— определение категории автомобильной дороги;

— установление общего и требуемого модуля упругости;

— конструирование и расчет двух вариантов нежестких и жестких дорожных одежд;

— технико-экономическое сравнение лучших вариантов и выбор наиболее экономичной конструкции.