Расчет конструкции дорожной одежды

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК И РАСЧЕТНОЙ ИНТЕНСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
• 1.1 Определение интенсивности движения на 1-й год службы
• 1.2 Установление нагрузки на ось от каждого грузового средства
• 1.3 Определение суммарных коэффициентов приведения расчетной нагрузки
• 1.4 Определение интенсивности движения на срок службы дорожной одежды
• 1.5 Определение расчетной приведенной интенсивности движения
• 1.6 Определение суммарного расчетного числа приложения нагрузки
• 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОЧНОСТИ И ТРЕБУЕМОГО УРОВНЯ НАДЕЖНОСТИ
• 3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ВАРИАНТОВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ
• 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ
• 4.1 Определение характеристик грунта земляного полотна
• 4.2 Определение расчетного значения прочностных характеристик материалов слоёв
• 5. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПО ДОПУСКАЕМОМУ УПРУГОМУ ПРОГИБУ МЕТОДОМ «СВЕРХУ ВНИЗ»
• 5.1 Расчет по допускаемому упругому прогибу капитального типа дорожной одежды
• 5.2 Расчет по допускаемому упругому прогибу облегченного типа дорожной одежды
• 6. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПО СДВИГУ В ГРУНТЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СЛОЯХ ИЗ СЛАБОСВЯЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ
• 6.1 Расчет на сдвигоустойчивость капитального типа дорожной одежды
• 6.2 Расчет на сдвигоустойчивость облегченного типа дорожной одежды
• 7. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ МОНОЛИТНЫХ СЛОЕВ УСТАЛОСТНОМУ РАЗРУШЕНИЮ ОТ РАСТЯЖЕНИЯ ПРИ ИЗГИБЕ
• 7.1 Расчет конструкции капитального типа покрытия на сопротивление асфальтобетонных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе
• 7.2 Расчет конструкции облегченного типа покрытия на сопротивление асфальтобетонных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе
• 8. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТЬ
• 8.1 Расчет на морозоустойчивость конструкции с капитальным типом дорожной одежды
• 8.2 Расчет на морозоустойчивость конструкции с облегченным типом дорожной одежды
• 9. РАСЧЕТ ДРЕНИРУЮЩЕГО СЛОЯ КОНСТРУКЦИИ С КАПИТАЛЬНЫМ ТИПОМ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ
• 10. ПЕРЕРАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПО ДОПУСКАЕМОМУ УПРУГОМУ ПРОГИБУ МЕТОДОМ «СНИЗУ ВВЕРХ»
• 10.1 Перерасчет по допускаемому упругому прогибу капитального типа дорожной одежды
• 10.2 Расчет по допускаемому упругому прогибу облегченного типа дорожной одежды
• 11. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПО ПРОГРАММЕ «РАДОН»
• 11.1 Расчет конструкций первой дорожной одежды с капитальным типом покрытия

11.2 Расчет конструкций второй дорожной одежды с капитальным типом покрытия

12. АНАЛИЗ РАСЧЕТОВ И ОКОНЧАТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ

• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
• Приложение, А — Результаты расчета первой конструкции дорожной одежды с капитальным типом покрытия
• Приложение Б — Результаты расчета второй конструкции дорожной одежды с капитальным типом покрытия
• Приложение В — Расчетные характеристики дорожной одежды. Поперечные профили конструкций дорожной одежды

Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей на проезжей части устаивают дорожную одежду, которая представляет собой уложенную на поверхности зем. полотна твердую монолитную конструкцию из материалов хорошо сопротивляющихся воздействию климатических факторов и колес транспортных средств. В дорожной одежде различают следующие слои:

· покрытие — верхняя часть дорожной одежды, воспринимаемая усилия от колес транспортных средств и подвергающаяся непосредственному воздействию атмосферных факторов;

· основание — часть конструкции дорожной одежды, располагающаяся под покрытием и обеспечивающая совместно с покрытием распределение напряжений в конструкции снижение их величины в подстилающем грунте, а также обеспечивая морозоустойчивость и осушение конструкции;

· дополнительный слой основания — слой между несущим основанием и подстилающим грунтом, предусмотренный при наличии геологических и грунтово-геологических условий;

· рабочий слой земляного полотна — верхний слой полотна в пределах от низа дорожной одежды до двух третей глубины промерзания, но не меньше 1,5 метров от поверхности покрытия.

В зависимости от работы при воздействии нагрузок все дорожные одежды условно делятся на две группы: жесткие и нежесткие.

Жесткими называют дорожные одежды, у которых один или несколько слоев обладают сопротивлением изгибу или модулю упругости, практически не зависит от температуры и влажности и мало меняется в течении всего срока службы.

Нежесткими называют дорожные одежды, прочность слоев которых при изгибе и модуль упругости существенно зависит от температуры и влажности или же дорожная одежда с несущими слоями неспособными сопротивляться изгибу.

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК И РАСЧЕТНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ДВИЖЕНИЯ

Дорожные одежды рассчитываем с учетом состава и интенсивности перспективного движения, ожидаемого на год службы перед капитальным ремонтом.

1.1 Определение интенсивности движения на 1-й год службы

(1.1)

гдеинтенсивность движения на 1-й год службы, авт./сут;

— заданная перспективная интенсивность движения на 20-й год службы, авт./сут;

- коэффициент роста интенсивности движения, ед./год ().

При :

.

Значениеможно определять только для грузовых автомобилей и автобусов, так как это основная нагрузка. За расчетную принимается наибольшая нагрузка, если она составляет более 10% от всех марок транспортных средств. Расчет приведен в таблице1.1.1

Таблица 1.1.1 — Расчет интенсивности

1.2 Установление нагрузки на ось от каждого грузового средства

Нагрузка от каждого транспортного средства представлена в таблице 1.2.1

Таблица 1.2.1 — Нагрузка на ось

1.3 Определение суммарных коэффициентов приведения расчетной нагрузки

В данном случае в транспортном потоке присутствуют автомобили с нагрузкой на ось 130 кН, т. е. группы нагрузки, поэтому проверять нагрузку .Доля автомобилей марокКамАЗ-5511 и Магирус 290D26Lсреди грузового и автобусного движения, %:

(1.2)

где - интенсивность автобусного движения на 1-й год службы, авт./сут;

^_ суммарная интенсивность грузового и автобусного движения на первый год службы, авт./сут;

— номер марки транспортного средства;

— количество транспортных средств в потоке, шт.

Получаем:

%.

Так как доля автобусов в составе потока% > 10%, то за расчетную нагрузку принимаем нагрузку группы спараметрами, принятыми по [1, прил. 1, табл. 1] (таблица1.3.1).

Таблица 1.3.1 — Расчетная нагрузка

Определяем суммарные коэффициенты приведения воздействия на дорожную одежду автомобилей к расчетной нагрузке группы.

Допускается приближенно принимать по [1, прил. 1, табл. 3] в зависимости от грузоподъемности транспортного средства (таблица1.3.2).

Таблица 1.3.2 — Суммарные коэффициенты приведения

1.4 Определение интенсивности движения на срок службы дорожной одежды

Определяем перспективную интенсивность движения транспортного средства на год службы перед капитальным ремонтом:

(1.3)

где — расчетный срок службы дорожной одежды до капитального ремонта, лет; зависит от типа дорожной одежды, вида покрытия и категории дороги.

При отсутствии региональных норм расчетный срок службы дорожной одежды допускается назначить в соответствии с рекомендациями [1, прил. 6, табл. 2]. В этом случае срок службы принимается в зависимости от категории дороги, типа дорожной одежды и дорожно-климатической зоны.

С учетом региональных норм для Коношского района, находящейся воIIдорожно-климатической зоне, срок службы данной дорожной одежды для дороги IIIкатегории приведен в таблице 1.4.1

Таблица 1.4.1 — Срок службы дорожной одежды

При :

.Расчет приведен в таблице 1.4.2

Таблица 1.4.2 — Перспективная интенсивность движения

1.5 Определение расчетной приведенной интенсивности движения

Определяем расчетную приведенную интенсивность движения на одну полосу проезжей части, ед./сут:

(1.4)

гдекоэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения, но ним |1, табл. 3.2] (при двух полосах движения);

— общее число различных марок транспортных средств в составе транспортного потока (в нашем случае);

— номер марки транспортного средства;

- число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средствй марки по автомобильной дороге на год службы перед капитальным ремонтом, авт./ сут ();

— суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортных средствй марки к расчетной нагрузке [1, прил. 1, табл. 3] (см. таблицу 1.3.2). Для легковых автомобилей .

Расчет приведен в таблице1.5.1

Таблица 1.5.1 — Интенсивность движения на одну полосу проезжей части

1.6 Определение суммарного расчетного числа приложения нагрузки

Определяем суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы, авт.,

(1.5)

где — коэффициент суммирования, принимается по [1, прил. 6, табл. 3] (при отсутствии других данных) или определяется по формуле:

; (1.6)

— показатель изменения интенсивности движения по годам,; (1.7) — расчетный срок службы, лет (таблица 1.4.1);

— число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции [1, прил. 6, табл. 1 и карта районирования по, прил. 7];

- коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого [1, табл. 3.3].

По [1, прил. 6] Коношский район относится к 2 району. По [1, прил. 6, табл. 1] дней.

По [1, табл. 3.3] при капитальном типе дорожной одежды; облегченном .

Придля капитального типа (лет)

;

облегченного (лет)

.

Имеем: для капитального типа:

;

облегченного:

.

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОЧНОСТИ И ТРЕБУЕМОГО УРОВНЯ НАДЕЖНОСТИ

1. Дорожную одежду следует проектировать с требуемым уровнем надежности, под которым понимают вероятность безотказной работы в течение межремонтного периода.

Заданная (требуемая) надежность (задается при проектировании, при этом ориентируются на перспективную интенсивность) принимается по [1,табл. 3.1].

2. Отказ конструкции по прочности физически может характеризоваться образованием продольной и поперечной неровности поверхности дорожной одежды, связанной с прочностью конструкции (поперечные неровности, колея, усталостные трещины), с последующим развитием других видов деформаций и разрушений (чистые трещины, сетки трещин, выбоины, просадки, проломы и т. д.).

В качестве количественного показателя отказа дорожной одежды как элемента инженерного сооружения линейного характера используют предельный коэффициент разрушения :

(2.1)

где — суммарная протяженность участков дороги, требующих ремонта из-за недостаточной прочности дорожной одежды;

L — общая протяженность дороги между корреспондирующими пунктами (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Общая протяженность дороги Значенияна последний год службы в зависимости от капитальности дорожной одежды и категории дороги следует принимать в соответствии с табл. 3.1.

3. Прочность конструкции количественно оценивается величиной коэффициента прочности.

Коэффициент прочности вновь проектируемой конструкции должен быть таким, чтобы в заданный межремонтный период не наступил отказ по прочности с вероятностью более заданной, т. е. чтобы была обеспечена заданная (требуемая) надежность .

Для обеспечения заданной надежности (обеспеченности по прочности) коэффициент прочности проектируемой конструкции по каждому из расчетных критериев (упругий прогиб, сдвиг и растяжение при изгибе) не должен быть ниже минимального требуемого значения , определяемого по [1,табл. 3.1].

4. Значения, ,заносим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 — Определение коэффициента прочности и требуемого уровня надежности

3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ВАРИАНТОВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ

Конструирование дорожных одежд заключается в:

· назначении типа покрытия;

· выборе для них наиболее подходящих материалов;

· определении количества слоев, целесообразном назначении их размеров (толщины) и размещении по глубине.

При конструировании дорожных одежд необходимо руководствоваться следующими принципами:

1. Конструкция дорожной одежды должна удовлетворять транспортно-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к дороге, и ожидаемым в перспективе составу и интенсивности движения.

При этом необходимо учитывать:

· категорию дороги;

· состав транспортного потока;

· интенсивность движения;

· напряженное состояние и механизм деформирования отдельных слоев и конструктивных элементов.

2. Конструкцию дорожной одежды нужно выбирать типовую или вновь разрабатывать для каждого участка дороги или ряда участков дороги, характеризующихся сходными природными условиями, одинаковыми расчетными нагрузками, а также в равной степени обеспеченными строительными материалами.

3. В конструкции должны быть широко использованы местные материалы с предварительной переработкой или укреплением их.

4. Надо стремиться к созданию конструкции наименее материалоемкой и уменьшению количества слоев.

5. Необходимо предусматривать проезд построечного транспорта по основанию.

6. Конструкция должна быть технологичной и обеспечивать возможность максимальной механизации и индустриализации дорожно-строительных процессов.

7. Следует учитывать региональный опыт строительства и службы дорог в заданном конкретном районе

8. Необходимо учитывать природно-климатические особенности и гидрологические условия местности.

9. Следует учитывать вопросы охраны окружающей природной среды (соблюдение экологических норм).

Конструкцию дорожной одежды и тип покрытия нужно обосновать технико-экономическим анализом вариантов по приведенным суммарным затратам.

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

1. Покрытия и верхние слои основания испытывают значительные напряжения и температурные воздействия. Поэтому они должны быть монолитными, водо-, морозои термостойкими. Слои, содержащие органические вяжущие, обладают лучшими деформационными качествами и теплофизическими свойствами, чем материалы или грунты, укрепленные неорганическими вяжущими. Однако материалы, содержащие органическое вяжущее, весьма чувствительны к высокой положительной температуре, при которой уменьшается их сдвигоустойчивость, или отрицательной температуре, приводящей к повышению их хрупкости.

2. На магистральных дорогах с тяжелым и скоростным движением основания нужно устраивать преимущественно из укрепленных материалов.

3. Необходимо, чтобы теплофизические свойства материалов покрытия и верхнего слоя основания существенно не отличались. Нижние слои основания и дополнительные слои дорожной одежды должны совместно с верхними слоями и покрытием обеспечивать необходимую прочность конструкции, морозоустойчивость, а также дренирующую способность. Нижние слои основания, особенно из зернистых материалов, должны сопротивляться сдвиговым напряжениям. Во многих случаях целесообразно предусматривать их укрепление вяжущим.

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

5. Материалы в конструкции дорожной одежды располагают по убыванию прочности в соответствии с затуханием по глубине от воздействия подвижных нагрузок.

6. Для улучшения совместной работы смежных слоев конструкции отношение их модулей упругости предусматривают не выше 5.

Так как конструкцию дорожной одежды назначаем для дороги IVкатегории, то проектируем два варианта нежесткой дорожной одежды разного типа — капитального и облегченного (с усовершенствованным покрытием). Рекомендуется при назначении типа дорожной одежды учитывать категорию дороги и суммарное расчетное количество раз прилагаемой нагрузки [1, табл. 3.4].

Минимальные толщины покрытия и других конструктивных слоев дорожной одежды определяем по [2, табл. 30] или [3, табл. 5.6].

В соответствии с вышеизложенным намечаем следующие материалы для слоев дорожной одежды (рисунок 3.1).

I вариант IIвариант Рисунок 3.1 — Слои дорожной одежды

Iвариант (капитальный тип):

1 — верхний слой покрытия — асфальтобетон плотный из горячей мелкозернистой смеси типа, А II марки на битуме БНД 60/90, ГОСТ 9128- 97*(см);

2 — нижний слой покрытия — асфальтобетон высокопористый из горячей щебеночной крупнозернистой смеси Iмарки на битуме БНД 60/90, ГОСТ 9128–97* (см);

3 — верхний слой основанияпесок средней крупности, обработанный цементом М60, ГОСТ 23 558–94(см);

4 — нижний слой основания — щебеночно-песчаная смесь С7, ГОСТ 25 607–94 (см уточняется расчетом);

5 — дополнительный слой — песок средней крупности, ГОСТ 25 100–95 (см уточняется расчетом)

6- грунт земляного полотнасуглинок тяжелый пылеватый.

IIвариант (капитальный тип):

1 — верхний слой покрытия — асфальтобетон плотный из горячей мелкозернистой смеси типа ВIIмарки на битуме БНД 60/90 с поверхностной обработкой, ГОСТ 9128- 97*(см);

2 — нижний слой покрытия — асфальтобетон пористый из горячей щебеночной крупнозернистой смеси IIмарки на битуме БНД 60/90, ГОСТ 9128–97* (см);

3 — верхний слой основания — щебеночно-песчаная смесь С7, обработанная битумом 60/90,ГОСТ 30 491−97 (см);

4 — нижний слой основания — щебеночно-песчаная смесь С7, ГОСТ 25 607–94 (см уточняется расчетом);

5 — грунт земляного полотна — песок средней крупности, ГОСТ 8736–95.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

4.1 Определение характеристик грунта земляного полотна

В данном случае подстилающий грунтпесок пылеватый.

а) Определяем дорожно-климатическую зону и подзону [1, прил. 2, табл. 7]. республика Карелия находится воIIдорожно-климатической зоне 1 подзоны.

б) Определяем расчетную влажность грунта:

(4.1)

где — среднее многолетнее значение относительной влажности грунта (в долях от влажности на границе текучести), принимается по [1,табл. 1] в зависимости от дорожно-климатической зоны и подзоны, схемы увлажнения земляного полотна и типа грунта;

— поправка на особенности рельефа территории [1, прил. 2, табл. 2];

— поправка на конструктивные особенности проезжей части и обочин[1, прил. 2, табл. 3];

- коэффициент нормированного отклонения, принимается по [1, прил. 4, табл. 2] в зависимости от заданного (требуемого) уровня надежности ;

— поправка на влияние суммарной толщины стабильных слоев дорожной одежды [1, прил. 2, рис. 1].

Значение принимаем равным нулю.

По [1, прил. 2, табл. 1] для суглинка тяжелого пылеватого воIIдорожно-климатической зоне и 1подзоне при 2 схеме увлажнения рабочего слоя По [1, прил. 4, табл. 2] для первого капитального типа ().

Находим:

.

в) Определяем расчетные (нормативные) значения прочностных (механических) характеристик грунта по [1, прил. 2, табл. 4, 5] в зависимости от его расчетной относительной влажности и суммарного расчетного числа приложений нагрузки. Данные сводим в таблицу 4.1.1.

Таблица 4.1.1 -Расчетные значения прочностных характеристик грунта

Нормативные значения прочностных характеристик определяем интерполированием.

4.2 Определение расчетного значения прочностных характеристик материалов слоёв Определяем расчетные значения прочностных характеристик материалов конструктивных слоев и сводим в таблицу 4.2.1. Также приводим:

— назначение толщин конструктивных слоев дорожной одежды;

— обоснование расчетных характеристик материалов дорожной одежды и грунта земляного полотна.

В таблице 4.2.1 указаны расчетные значения кратковременного модуля упругости для использования в расчетах конструкций на упругий прогиб и сдвиг в грунте и в промежуточных слоях дорожной одежды.

При расчете на упругий прогиб и растяжение при изгибе значения кратковременного модуля упругости определяются во всех климатических зонах при°С [1, прил. 3, табл. 2].

При расчете по сопротивлению сдвигу в грунте и слабосвязных грунтах значения кратковременного модуля упругости асфальтобетона и материалов, содержащих органическое вяжущее, принимаются соответствующими расчетным температурам, указанным в [1, табл. 3.5]. Значение модуля упругости во II дорожно-климатической зоне 1 подзоны принимаем при расчетной температуре °С.

Таблица 4.2.1 -Расчетные значения кратковременного модуля упругости

5 РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПО ДОПУСКАЕМОМУ УПРУГОМУ ПРОГИБУ МЕТОДОМ «СВЕРХУ ВНИЗ»

Упругий прогиб самым непосредственным образом связан с предельным состоянием дорожных одежд. Чем больше прогиб, тем большие напряжения возникают во всех конструктивных слоях. При этом возрастает вероятность того, что растягивающие и сдвигающие напряжения могут превысить допустимые значения.

Допустимым прогибом принято считать такую его величину, выше которой появляются деформации (трещины), свидетельствующие о недостаточной прочности дорожной одежды, т. е. упругий прогиб — это показатель жесткости, характеризующий прочность.

Установлено, что нецелесообразно вычислять прогиб слоистого полупространства, а рациональнее заменить его однородным полупространством с таким модулем упругости, при котором вертикальная деформация на поверхности однородного полупространства будет равна вертикальной деформации на поверхности слоистого полупространства.

Конструкция дорожной одежды удовлетворяет требованиям прочности и надежности по критерию упругого прогиба при условии:

(5.1)

где — общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа;

— минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции с учетом капитальности дорожной одежды, МПа, определяемый по эмпирической формуле:

;(5.2)

— суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды, определяемое по формуле (1.5);

с — эмпирический параметр, принимаемый по [1, п. 3.25] в зависимости от расчетной нагрузки на ось (таблица 5.1);

— требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию упругого прогиба, принимаемый по [1, табл. 3.1] в зависимости от требуемого уровня надежности К_Н(см. таблицу 2.1).

Таблица 5.1 — Параметры зависимости от расчетной нагрузки на ось

Расчет по допускаемому упругому прогибу (по требуемому модулю деформации) ведем в следующей последовательности:

1. Определяем требуемый минимальный общий модуль упругости конструкции по формуле (5.2).

По [1, п. 3.25] или табл. 5.1 для расчетной нагрузки на ось кН эмпирический коэффициент с = 3,05. В результате расчета имеем: для капитального типа ()

дорожная одежда асфальтобетонное покрытие

(МПа);

2. Сравниваем полученное значение с требуемым модулем упругости, указанным в [1, табл. 3.4].

При этом должно выполняться условие

.

Придля капитального типа дорожной одежды

МПа:

МПа.

За расчетный требуемый модуль упругости принимаем наибольший:

МПа.

В целях проектирования дорожных одежд наименьшей материалоемкости и обеспечения минимального запаса прочности расчет по допускаемому упругому прогибу выполняем методом «сверху вниз».

5.1 Расчет по допускаемому упругому прогибу первого капитального типа дорожной одежды

Определяем общий расчетный модуль упругости конструкции, исходя из условия (5.1) и расчетной схемы (см. рис. 5.1.1):

(МПа).

см МПа МПа см МПа см МПа см МПа см МПа см МПа Рисунок 5.1.1 — Расчетная схема общего расчетного модуля упругости Выполняем послойный расчет многослойной конструкции по номограмме [1, рис. 3.1], с помощью которой определяем требуемые модули на поверхности каждого конструктивного слоя. При этом рассматривается двухслойное полупространство, загруженное с поверхности осесимметричной нагрузкой.

Номограмма связывает между собой следующие величины:

· отношение модулей упругости нижнего и верхнего слоев;

· относительную толщину верхнего слоя;

· отношение общего модуля упругости на поверхности двухслойной системы к модулю упругости верхнего слоя.

Расчет выполняем до определения толщины нижнего слоя дорожной одежды из щебеночно-песчаной смеси С7 и дополнительного слоя дорожной одежды из песка средней крупности.

Данные для расчета сводим в табл.5.1.1

Таблица 5.1.1 — Данные для расчета толщины нижнего слоя дополнительного слоя

Расчетные схемы приведены на рис. 5.1.2.

а) D б) D

в) D г) D

д) D

Рисунок5.1.2 — Расчетные схемы Последовательность расчета:

1. Определяем общий модуль упругости на поверхности асфальтобетона высокопористого (рис. 2.5.1.2, а):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

2.Определяем общий модуль упругости на поверхности песка средней крупоности обработанного цементом М60 (рис. 2.5.1.2, б):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

3. Определяем общий модуль упругости на поверхности щебеночно — песчаной смеси С7 (рис. 2.5.1.2, в):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

4. Определяем толщину дополнительного слоя основания по методу дренироввания:

м.

м.

5. Определяем общий модуль упругости на поверхности песка средней крупности (рис. 2.5.1.2, д):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

6. Определяем толщину слоя щебеночно — песчаной смеси С7(рис. 2.5.1.2, г):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г. см.

С учетом минимальной толщины нижнего слоя и дополнительного слоя дорожной одежды принимаем и

Результаты расчета сводим в табл.5.1.2

Таблица 5.1.2 — Общие модули упругости на поверхности слоев

5.2 Расчет по допускаемому упругому прогибу второго капитального типа дорожной одежды

Определяем общий расчетный модуль упругости конструкции, исходя из условия (5.1) (см. рис. 5.2.1):

(МПа).

см МПа МПасм МПасм МПа см МПа

МПа Рисунок 5.2.1 — Расчетная схема общего расчетного модуля упругости Выполняем послойный расчет многослойной конструкции по номограмме [1, рис. 3.1] до определения толщины нижнего слоя основания дорожной одежды из щебеночно-песчаной смеси.

Данные для расчета сводим в табл.5.2.1

Таблица 5.2.1 — Данные для расчета толщины дополнительного слоя

Последовательность расчета:

1. Определяем общий модуль упругости на поверхности асфальтобетона пористого (рис. 2.5.1.2, а):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

2. Определяем общий модуль упругости на поверхности щебеночно-песчаной смеси обработанной битумом БНД 60/90 (рис. 2.5.1.2, б):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

3. Определяем общий модуль упругости на поверхности щебеночно-песчаной смесиС7(рис. 2.5.1.2, в):

а. ;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

4. Определяем толщину слоя щебеночно-песчаной смеси (рис. 2.5.1.2, г):

а.;

б.;

Линии по номограмме не пересекаются, поэтому увеличиваем толщину слоев

Пересчитываем конструкцию дорожной одежды снизу в вверх.

1. Определяем общий модуль упругости на поверхности щебеночно-песчаной смеси С7 (рис. 2.5.1.2, в):

а.;

б.

в) По номограмме ;

г.; (МПа).

2. Определяем общий модуль упругости на поверхности щебеночно-песчаной смеси обработанной битумом БНД 60/90 (рис. 2.5.1.2, б):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

3. Определяем общий модуль упругости на поверхности асфальтобетона пористого (рис. 2.5.1.2, а):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

4. Определяем общий модуль упругости на поверхности асфальтобетона плотного (рис. 2.5.1.2, а):

а.;

б.;

в.По номограмме ;

г.; (МПа).

;

Условие соблюдается, поэтому принимаем

Результаты расчета сводим в табл.5.2.2

Таблица 5.2.2 — Данные для расчета толщины дополнительного слоя

6. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПО СДВИГУ В ГРУНТЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СЛОЯХ ИЗ СЛАБОСВЯЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сдвиг — это основная форма нарушения сплошности грунтов и несвязных материалов.

Дорожную одежду проектируют из расчета, чтобы под действием кратковременных или длительных нагрузок в грунте земляного полотна (подстилающем грунте) или малосвязных (песчаных) слоях за весь срок службы не накапливались недопустимые остаточные деформации формоизменения, вызванные пластическими смещениями.

Недопустимые деформации сдвига в грунте земляного полотна и малосвязных (песчаных) слоях не будут накапливаться, если выполняется условие:

(6.1)

где — требуемое минимальное значение коэффициента прочности дорожной одежды по критерию сдвига с учетом заданного уровня надежности [1, табл.3.1] (см. табл.2.1);

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

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

Действующие в грунте или песчаном слое активные напряжения сдвига определяются по формуле, МПа:

(6.2)

где р — расчетное давление от колеса на покрытие, МПа [1, прил.1, табл.П.1.1] (см. табл.1.3.1);

— активное напряжение сдвига от временной единичной нагрузки, МПа, определяемое с помощью номограммы [1, рис. 3.2 или 3.3].

Примечание: При пользовании номограммой для определения величину принимают для случая воздействия динамической нагрузки (с учетом числа приложений) [1, прил.2, табл.П.2.4 и П. 2.6].

Предельное активное напряжение сдвига в грунте рабочего слоя (или в песчаном материале промежуточного слоя) определяется по формуле, МПа:

(6.3)

где — сцепление в грунте земляного полотна (или в промежуточном песчаном слое), МПа, принимаемое с учетом повторности нагрузки [1, прил.2, табл.4 или 6];

— коэффициент, учитывающий особенности работы конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания.

— средневзвешенный удельный вес конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя, МН/м;

(6.4)

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

— расчетная величина угла внутреннего трения материала проверяемого слоя при статическом действии нагрузки (), град. [1, прил.2, табл.4 или 6];

n -число конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя;

— толщина i-го слоя, м;

— удельный вес i-го слоя, МН/м; определяется по формуле:

(6.5)

— плотностьi-го слоя, кг/м [1, прил.5, табл.П.5.1];

g — ускорение свободного падения, м/с; м/с.

При устройстве нижнего слоя несущего основания из укрепленных материалов, а также при укладке на границе «несущее основание — песчаный слой или песчаный грунт» разделяющей геотекстильной прослойки, следует принимать значения, указанные в табл.6.1.

Таблица 6.1 — Коэффициент

Примечание: При устройстве нижнего слоя несущего основания из неукрепленных материалов и без укладки разделительной прослойки следует принимать. В подстилающих глинистых грунтах земляного полотна .

При практических расчетах многослойную дорожную конструкцию приводят к двухслойной расчетной модели:

1. При расчете дорожной одежды на прочность по сдвигоустойчивости грунта земляного полотна в качестве нижнего слоя модели принимают грунт (с его характеристиками, ,), а в качестве верхнего — всю дорожную одежду.

Толщину верхнего слоя принимают равной сумме толщин слоев дорожной одежды:

. (6.6)

Модуль упругости верхнего слоя модели определяют как средневзвешенный по формуле:

(6.7)

где n — число слоев дорожной одежды;

— модуль упругости i-го слоя, МПа;

— толщина i-го слоя, см.

Рисунок 6.1 — Модель расчета.

2. При расчете дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости в песчаном слое основания в качестве нижнего слоя модели принимают песчаный слой (с его характеристиками ,), а в качестве верхнего — слои, лежащие над песчаным.

Модуль упругости нижнего слоя принимают равным общему модулю упругости на поверхности песчаного слоя, определяемому в расчете по допускаемому упругому методом «сверху вниз».

Толщину верхнего слоя модели принимают равной общей толщине слоев, лежащих над песчаным, а модуль упругости верхнего слоя определяют как средневзвешенное значение для этих слоев по формуле (6.7).

6.1 Расчет на сдвигоустойчивость первого капитального типа дорожной одежды

Данные для расчета сводим в табл.6.1.1.

Таблица 6.1.1 — Расчетные данные

Расчетная схема приведена на рис. 6.1.1.

см МПа МПасм МПасм МПа см МПа см МПа см МПа

?, МПа Рисунок 6.1.1 — Расчетная схема

I. Проверяем на сдвиг грунт земляного полотна (подстилающий грунт) — суглинок тяжелый пылеватый.

1. Определяем средневзвешенный модуль упругости верхнего слоя модели по формуле (6.7):

МПа

2. Определяем удельное активное напряжение сдвига по номограмме [1, рис. 3.2 или 3.3]:

а) ;

б) ;

в) По номограмме [1, рис. 3.2] при

.

3. Определяем действующее в грунте активное напряжение сдвигаТ по формуле (6.2) при МПа:

МПа.

4. Определяем предельное активное напряжение сдвига в грунте рабочего слоя по формуле (6.3):

а) МПа;

б) (см. примеч. к табл.6.1);

в) м;

г) [1, прил.2, табл.4];

д) По формуле (6.4)

.

По [1, прил.5, табл.1] принимаем значения плотности каждого слоя и заносим их в табл.6.1.2.

По формуле (6.5) определяем удельный вес каждого слоя при м/с и результаты расчета также заносим в табл.6.1.2.

Приведем пример определения удельного веса асфальтобетона плотного:

.

Таблица 6.1.2 — Значения плотности и удельного веса каждого слоя

Тогда

(МН/м).

Имеем:

МПа.

5. Проверяем выполнение условия сдвигоустойчивости (6.1):

;

.

Следовательно, конструкция не удовлетворяет условию прочности по сдвигу в подстилающем грунте.

Для выполнения условия сдвигоустойчивости увеличиваем толщину песчаного слоя основания и принимаем .

Производим перерасчет конструкции с увеличенной толщиной песчаного слоя.

1. Определяем средневзвешенный модуль упругости верхнего слоя модели по формуле (6.7):

МПа

2. Определяем удельное активное напряжение сдвига по номограмме [1, рис. 3.2 или 3.3]:

а) ;

б) ;

в) По номограмме [1, рис. 3.2] при,.

3. Определяем действующее в грунте активное напряжение сдвига Т по формуле (6.2) при МПа:

МПа.

4. Определяем предельное активное напряжение сдвига в грунте рабочего слоя по формуле (6.3):

а) МПа;

б) (см. примеч. к табл.6.1);

в) м;

г) [1, прил.2, табл.4];

д) По формуле (6.4)

.

(МН/м).

Имеем:

МПа.

5. Проверяем выполнение условия сдвигоустойчивости (6.1):

;

.

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу в подстилающем грунте.

Условие соблюдается, поэтому принимаем

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу в подстилающем грунте при общей толщине слоев дорожной одежды:

.

II. Проверяем на сдвиг малосвязный (песчаный) слой — песок средней крупности (дополнительный слой основания)

1.Определяем средневзвешенный модуль упругости верхнего слоя модели по формуле (6.7):

МПа

2. Так как толщина песчаного слоя была увеличена, то пересчитываем общий модуль упругости на поверхности этого слоя по номограмме [1, рис. 3.1]

D=42 см

=120МПа см

=29 МПа Рисунок 6.1.2 — Расчетная схема а) ;

б) ;

в) По номограмме ;

г) ;

(МПа).

3. Определяем удельное активное напряжение сдвига по номограмме [1, рис. 3.2 или 3.3]:

а) ;

б) ;

в) при ,.

4. Определяем действующее в песчаном слое активное напряжение сдвига Т по формуле (6.2) при МПа:

МПа.

5. Определяем предельное активное напряжение сдвига в песчаном слое по формуле (6.3):

а) МПа;

б) (см. примеч. к табл.6.1);

в) м;

г) [1, прил.2, табл.6];

д) По формуле (6.4)

.

(МН/м).

е) МПа.

6. Проверяем выполнение условия сдвигоустойчивости (6.1):

;

.

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу в малосвязном (песчаном) слое основания при общей толщине слоев, лежащих над песчаным:

.

Условие не соблюдается, но данная толщина слоя является оптимальной по допускаемому упругому прогибу.

6.2 Расчет на сдвигоустойчивость второй капитальный тип дорожной одежды

Данные для расчета сводим в табл.6.2.1.

Таблица 6.2.1 — Расчетные данные

Расчетная схема приведена на рис. 6.2.1.

см МПа МПа см МПа см МПа см МПа см МПа

?, МПа Рис. 6.2.1 — Расчетная схема Проверяем на сдвиг грунт земляного полотна (подстилающий грунт) — песок средней крупности.

1.Определяем средневзвешенный модуль упругости верхнего слоя модели по формуле (6.7):

МПа.

2.Определяем удельное активное напряжение сдвига по номограмме [1, рис. 3.2 или 3.3]:

а) ;

б) ;

в) По номограмме [1, рис. 3.2] при,.

3. Определяем действующее в грунте активное напряжение сдвига Т по формуле (6.2) при МПа:

МПа.

4. Определяем предельное активное напряжение сдвига в грунте рабочего слоя по формуле (6.3):

а) МПа;

б) (см. примеч. к табл.6.1);

в) м;

г) [1, прил.2, табл. 6];

д) По формуле (6.4)

.

По [1, прил.5, табл.П.5.1] принимаем значения плотности каждого слоя и заносим их в табл.6.2.2.

По формуле (6.5) определяем удельный вес каждого слоя при м/с и результаты расчета также заносим в табл.6.2.2.

Приведем пример определения удельного веса асфальтобетона пористого:

.

Таблица 6.2.2 — Значения плотности и удельного веса каждого слоя

Тогда

МН/м.

Имеем:

МПа.

5. Проверяем выполнение условия сдвигоустойчивости:

;

.

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу в подстилающем грунте при общей толщине слоев дорожной одежды

.

Условие не соблюдается, но данная толщина слоя является оптимальной по допускаемому упругому прогибу.

7 РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ МОНОЛИТНЫХ СЛОЕВ УСТАЛОСТНОМУ РАЗРУШЕНИЮ ОТ РАСТЯЖЕНИЯ ПРИ ИЗГИБЕ

В монолитных слоях дорожной одежды (из асфальтобетона и дегтебетона) 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:

(7.1)

где — требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию растяжения при изгибе с учетом заданного уровня надежности [1, табл.3.1] (см. табл.2.1);

— прочность материала монолитного слоя на растяжение при изгибе с учетом усталостных явлений, МПа (в пакете асфальтобетонных слоев за принимают значение, отвечающее материалу нижнего слоя асфальтобетонного пакета):

(7.2)

— нормативное значение предельного сопротивления растяжению при изгибе при расчетной низкой весенней температуре при однократном приложении нагрузки, МПа [1, прил.3, табл.1];

— коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки:

(7.3)

— расчетное суммарное число приложений расчетной нагрузки за срок службы монолитного покрытия, авт., определяемое по формуле (1.5);

m — показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя [1, прил.3, табл.1];

— 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 [1, прил.3, табл.1];

— коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов [1, табл.3.6];

— коэффициент вариации прочности на растяжение [1, прил.4, табл.1];

t — коэффициент нормативного отклонения [1, прил.4, табл.2];

— наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое, МПа:

(7.4)

— растягивающее напряжение от единичной нагрузки при расчетных диаметрах площадки, передающей нагрузку, МПа, определяемое по номограмме [1, рис. 3.4];

— коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия конструкции под спаренным баллоном (- при расчете под спаренным баллоном; - на однобалонное колесо);

р — расчетное давление, МПа [1, прил.1, табл.1](см. табл. 1.3.1).

При расчете на усталостную прочность реальную конструкцию приводят к двухслойной модели.

1. К верхнему слою модели относят монолитные слои, включая рассчитываемый (пакет асфальтобетонных слоев).

Толщину верхнего слоя модели принимают равной сумме толщин монолитных слоев (толщин, входящих в пакет асфальтобетонных слоев):

. (7.5)

Значение модуля упругости верхнего слоя модели устанавливают как средневзвешенное для монолитных слоев (для всего пакета асфальтобетонных слоев) по формуле (6.7).

2. К нижнему (полубесконечному) слою модели относят часть конструкции, расположенную ниже монолитных слоев (пакета асфальтобетонных слоев), включая грунт рабочего слоя земляного полотна.

Модуль упругости нижнего слоя модели определяют путем приведения слоистой системы к эквивалентной по жесткости с помощью номограммы [1, рис. 3.1].

7.1 Расчет конструкции первого капитального типа покрытия на сопротивление асфальтобетонных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе

Данные для расчета сводим в табл.1.19

Таблица 7.1.1 — Расчетные данные для капитального типа покрытия

Расчетная схема приведена на рис. 7.1.1.

см МПа см МПа смМПа МПа см МПа см МПа см МПа Рисунок 7.1.1 — Расчетная схема Приводим конструкцию к двухслойной модели, где:

· верхний слой — пакет асфальтобетонных слоев (монолитный слой);

· нижний слойпесок средней крупности, обработанный цементом М60 (верхний слой основания), щебеночно — песчаная смесь С7 (нижний слой основания), песок средней крупности (дополнительный слой основания) и грунт рабочего слоя (суглинок тяжелый пылеватый).

Так как толщина конструктивных слоёв была увеличена, то пересчитываем общий модуль упругости на поверхности песка средней крупности, обработанном цементом М60.

Определяем чему равен а) ;

б) ;

в) По номограмме ;

г); (МПа).

Определяем чему равен а) ;

б) ;

в) По номограмме ;

г); (МПа).

1.Определяем средневзвешенный модуль упругости верхнего слоя модели по формуле (6.7):

МПа.

2. Определяем растягивающее напряжение от единичной нагрузки по номограмме [1, рис. 3.4] (см. рис. 7.1.2):

см МПа смМПа Рисунок 7.1.2 — Расчетная модель а) ;

б)

(МПа — общий модуль упругости на поверхности песка средней крупности, обработанном цементом М60);

г) По номограмме.

3. Определяем расчетное растягивающее напряжение при изгибе в верхнем монолитном слое модели (в пакете асфальтобетонных слоев) по формуле (7.4) при МПа; :

МПа.

4. Определяем предельное растягивающее напряжение в нижнем слое асфальтобетонного пакета по формуле (7.2):

а) МПа;; [1, прил.3, табл.1];

б) По формуле (7.3) при:

;

в) [1, табл.3.6];

г) [1, прил.4, табл.1];

д) при [1, прил.4, табл.2];

е) МПа.

5. Проверяем выполнение условия прочности на растяжение при изгибе:

;

.

Следовательно, конструкция не удовлетворяет условию прочности на растяжение при изгибе. Для выполнения условия прочности на растяжение при изгибе увеличиваем толщину слоев основания и принимаем .

Так как толщина конструктивных слоёв была увеличена, то пересчитываем общий модуль упругости на поверхности песка средней крупности, обработанном цементом М60.

Определяем чему равен а) ;

б) ;

в) По номограмме ;

г); (МПа).

Определяем чему равен а) ;

б) ;

в) По номограмме ;

г); (МПа).

1.Определяем средневзвешенный модуль упругости верхнего слоя модели по формуле (6.7):

МПа.

2. Определяем растягивающее напряжение от единичной нагрузки по номограмме [1, рис. 3.4] (см. рис. 7.1.2):

см МПа смМПа Рисунок 7.1.2 — Расчетная модель а) ;

б)

(МПа — общий модуль упругости на поверхности песка средней крупности, обработанном цементом М60);

г) По номограмме.

3. Определяем расчетное растягивающее напряжение при изгибе в верхнем монолитном слое модели (в пакете асфальтобетонных слоев) по формуле (7.4) при МПа; :

МПа.

4. Определяем предельное растягивающее напряжение в нижнем слое асфальтобетонного пакета по формуле (7.2):

а) МПа;; [1, прил.3, табл. 1];

б) По формуле (7.3) при:

;

в) [1, табл.3.6];

г) [1, прил.4, табл. 1];

д) при [1, прил.4, табл. 2];

е) МПа.

5. Проверяем выполнение условия прочности на растяжение при изгибе:

;

.

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности на растяжение при изгибе.

Условие соблюдается, поэтому принимаем .

Таким образом, выбранная конструкция капитального типа покрытия удовлетворяет всем критериям прочности (упругий прогиб, сдвиг, растяжение при изгибе).

7.2 Расчет конструкции второго капитального типа покрытия на сопротивление асфальтобетонных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе

Данные для расчета сводим в табл.7.2.1

Таблица 7.2.1 — Расчетные данные для второго капитального типа покрытия

Расчетная схема приведена на рис. 7.2.1.

см МПа см МПасмМПа МПа см МПа см МПа Рисунок7.2.1 — Расчетная схема Приводим конструкцию к двухслойной модели, где:

· верхний слой — пакет асфальтобетонных слоев (монолитный слой);

· нижний слойщебеночно-песчаная смесь, обработанная битумом БНД 60/90(верхний слой основания), щебеночно-песчаная смесь С7(нижний слой основания) и грунт рабочего слоя (песок средней крупности).