Дорожные одежды. Расчет нежестких дорожных одежд

Цель работы

Цель работы – изучить основные типы и назначение конструктивных элементов дорожных одежд. Провести расчет нежестких дорожных одежд.

 

Теоретический материал

Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей по проезжей части и снижения напряжений в рабочем слое земляного полотна устраивают дорожную одежду, которая представляет собой уложенную на поверхность земляного полотна твердую монолитную конструкцию из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию климатических факторов и колес транспортных средств.

Дорожная одежда обычно состоит из нескольких слоев (рис.1), имеющих разные назначения.

 

 

Рис. 1. Конструктивные слои дорожных одежд (слева – пример конструкции, справа – название конструктивных слоев):

1 – поверхностная обработка; 2 – среднезернистый асфальтобетон; 3 – крупнозернистый асфальтобетон; 4 – щебень, обработанный вяжущим материалом; 5 – щебень; 6 – песок

 

Верхний слой – покрытие – создает на дороге ровную поверхность и обеспечивает эксплуатационные качества дороги: малое сопротивление качению, сопротивление износу и высокий коэффициент сцепления. Покрытия подвергаются непосредственному воздействию усилий от автомобилей и атмосферных факторов. Поэтому их устраивают из прочных каменных материалов с введением вяжущих. Покрытия имеют минимальную толщину, поскольку для них используют наиболее дорогостоящие материалы.

Для увеличения сопротивления изнашиванию и улучшения сцепления шин с дорогой на поверхности иногда устраивают поверхностные обработки путем розлива вяжущих материалов с немедленной засыпкой одномерным щебнем твердых горных пород.

Для повышения прочности покрытий из слабых каменных материалов иногда поверх них устраивают тонкий периодически восстанавливаемый слой износа из более прочных материалов.

Расположенный ниже покрытия слой дорожной одежды – основание – предназначен для передачи и распределения давления на большую площадь грунта земляного полотна. Основание не подвергается непосредственному воздействию колес автомобилей и погодных факторов, поэтому его устраивают из менее прочных материалов, чем покрытие, делая его из нескольких слоев, прочность которых уменьшается по мере удаления от поверхности покрытия.

Как нижний конструктивный слой дорожной одежды должен рассматриваться тщательно уплотненный грунт верхних слоев земляного плотна – подстилающий грунт. Прочная, хорошо сопротивляющаяся нагрузкам дорожная одежда может быть построена лишь на однородном, хорошо уплотненном и усушенном основании.

Для укрепления слабых оснований, предотвращения образования отраженных трещин и колейности дорожных покрытий применяют геотекстиль и георешетки (рис.2).

 

Рис. 2. Применение геотестиля и георешетки

в конструкции дорожных одежд

 

Все дорожные одежды по степеням их капитальности и обеспечения требованиям автомобильного движения делятся на три группы:

I. Дорожные одежды усовершенствованного типа – покрытия, укладываемые на прочных основаниях. Бывают капитальные (цементобетонные и асфальтобетонные на каменных основаниях), облегченные (покрытия из щебня и гравия, обработанные органическими вяжущими материалами, на основаниях из камня или укрепленного грунта);

II. Дорожные одежды переходного типа – покрытия со сравнительно невысоким сопротивлением износу (щебеночные, гравийные, шлаковые). Покрытия переходного типа строят для небольших интенсивностей движения, с учетом того, чтобы при увеличении движения использовать их как основания для более совершенных покрытий.

III. Низшего типа – покрытия, не обеспечивающие круглогодичного движения по дорогам (грунтовые, укрепленные гравием или щебнем).

Каждому типу дорожных одежд соответствуют основные виды применяемых покрытий, которые представлены в табл. 1.

Таблица 1

Типы дорожных покрытий	Виды покрытий, материал и способы его укладки
Капитальные	Дорожные одежды усовершенствованного типа:
	из горячих асфальтобетонных смесей
Облегченные	а) из горячих асфальтобетонных смесей б) из холодных асфальтобетонных смесей в) из органоминеральных смесей с жидкими органическими вяжущими, с жидкими органическими вяжущими совместно с минеральными; с вязкими, в том числе эмульгированными органическими вяжущими; с эмульгированными органическими вяжущими совместно с минералами; из каменных материалов и грунтов, обработанных битумом по способу смешения на дороге или методами пропитки; из каменных материалов, обработанных органическими вяжущими методом пропитки; черного щебня, приготовленного в установке и уложенного по способу заклинки; из пористой и высокопористой асфальтобетонной смеси с поверхностной обработкой; из прочного щебня с двойной поверхностной обработкой
Переходные	Дорожные одежды переходного типа:
	из щебня прочных пород, устроенные по способу заклинки без применения вяжущих материалов; из фунтов и малопрочных каменных материалов, укрепленных вяжущими; булыжного и колотого камня (мостовые)
Низшие	из щебеночно-гравийно-песчаных смесей; малопрочных каменных материалов и шлаков; грунтов, укрепленных или улучшенных различными местными материалами, древесных материалов и др.

 

Дорожная одежда хорошо выдерживает движение автомобилей только в тех случаях, когда ее конструкция и толщина отдельных слоев рассчитаны на действующие нагрузки с учетом частоты их приложения. Срок службы дорожных одежд может быть существенно продлен, если при организации автомобильных перевозок учитывать прочность дорожных одежд и согласовывать с типами покрытий тоннаж используемых автомобилей, а в случае необходимости рассредоточить интенсивные перевозки между несколькими параллельными дорогами.

Все типы дорожных одежд по условиям их работы при действии нагрузок делятся на две группы – жесткие и нежесткие. К жестким относят цементобетонные, асфальтобетонные или усовершенствованные мостовые на бетонных основаниях. Прочность этих одежд в основном определяется сопротивлением изгибающим усилиям цементобетонной плиты, распределяющей давление на большую площадь грунтового основания. К нежестким относят все остальные типы дорожных одежд, которые сами практически не воспринимают изгибающих напряжений, а сопротивление нагрузкам обеспечивается преимущественно подстилающим грунтом.

Если к нежесткой дорожной одежде приложена нагрузка, превосходящая ее прочность, то возникает сжатие и частичное вытеснение  грунта, в результате чего дорожная одежда прогибается; при прогибе в дорожной одежде развиваются растягивающие и скалывающие напряжения; в основаниях из несвязанных и малосвязанных материа-лов (гравий, песок, щебень) и в подстилающем грунте могут возникать явления пластического течения – выжимание материалов из-под загруженной площадки.

Нормальными условиями работы дорожной одежды при воздействиях расчетных нагрузок от автомобилей являются упругие прогибы, восстанавливающиеся после прохода автомобилей.

При расчете за основной показатель прочности дорожной одежды принимают комплексную характеристику – допускаемый упругий прогиб. При проектировании автомобильных дорого конструкцию дорожной одежды дополнительно проверяют на устойчивость против возникновения сдвигов, допустимое значение растягивающих напряжений, допустимое вспучивание зимой, а также на обеспечение отвода воды из пористых слоев грунта. Однако для проверки возможности пропуска по дороге отдельных тяжелых нагрузок или оценке допустимой интенсивности движения автомобилей определенного типа достаточна проверка по упругому прогибу.

По формуле Е. Бербера при действии одинаковых нагрузок осадки  у двухслойной системы и однородного упругоизотропного полупространства одинаковы, если их модели упругости находятся в соотношении:

 

 

где  и  - модули упругости верхнего и нижнего слоев;

 - толщина верхнего слоя;

 - диаметр круглой площадки, равновеликой площади контакта шины с покрытием.

 

Это дает возможность условно заменять при расчетах двухслойную систему эквивалентным по деформируемости слоем условного однородного материала (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема к определению понятия об эквивалентном модуле упругости:

а – многослойная система после деформации; б - эквивалентное однородное пространство

Дорожные одежды обычно состоят не из двух, а из большего числа слоев. Для оценки их прочности их приводят к эквивалентным двухслойным, последовательно определяя эквивалентные модули конструктивных слоев, начиная с подстилающего грунта вверх, по направлению к покрытию (рис.4).

Рис. 4. Последовательность определения эквивалентного модуля упругости двухслойной дорожной одежды: а) конструкция одежды; б) первый этап расчета - определение эквивалентного модуля второго и третьего слоев; в) второй этап расчета - определение эквивалентного модуля всей одежды

Вначале определяют эквивалентный модуль упругости двухслойной системы из подстилающего грунта и расположенного на нем слоя основания. Затем, рассматривая эти два слоя как основание, характеризующееся найденным значением модуля упругости, определяют эквивалентный модуль системы из этого основания и лежащего на нем слоя дорожной одежды. Расчеты по указанной схеме повторяют до тех пор, пока не будут учтены все слои одежды.

Эквивалентный модуль упругости всей системы может рассматриваться как показатель прочности всей одежды. Для облегчения расчетов составлена номограмма (рис. 5).

 

Рис. 5. Номограмма для определения модуля упругости Е_ЭКВ двухслойной системы. Цифры на кривых означают отношение Е₂/Е_ЭКВ – модуля упругости нижнего слоя Е₂ к эквивалентному модулю двухслойной системы Е_ЭКВ

 

Опыт эксплуатации дорог показывает, что дорожные одежды, имеющие значительную прочность при расчете на однократное приложение нагрузки, разрушались при многократном воздействии нагрузки, значительно меньшей расчетной.

На основании опытных данных была установлена эмпирическая зависимость:

 

 

где  - эквивалентный модуль упругости одежды при воздействии N автомобилей в сутки по одной полосе движения;

 - эквивалентный модуль одежды, еще не подвергавшейся многократному воздействию нагрузки;

 - параметры, характеризующие интенсивность накопления деформаций в одеждах.

 

Значения  были определены по данным обобщения результатов наблюдений за службой дорожных одежд в условиях эксплуатации и специальных опытов. В итоге была построена номограмма, связывающая принятые расчетные нагрузки, число их приложений и предельно-допустимый прогиб дорожной одежды (рис. 6). Данные о расчетных нагрузках приведены в табл. 2.

 

 

Рис. 6. Номограмма для определения требуемого эквивалентного модуля упругости при расчетах по упругим деформациям:

1 – усовершенствованные покрытия; 2 – усовершенствованные облегченные покрытия; 3 – покрытия переходного типа. Сплошные линии – нагрузка класса А, пунктирные – класса Б

 

Нагрузки от автомобилей группы А используют при расчетах одежд на дорогах I – III категорий. Дороги более низких категорий проектируют для автомобилей группы Б, если в задании на проектирование специально не оговорен пропуск по ним транспортных средств группы А.

 

Таблица 2

Тип расчетной нагрузки	Наибольшая нагрузка на одиночную ось, кН	Среднее давление на покрытие, МПа	Расчетный диаметр следа колеса, см
Группы А: автомобили автобусы	100 110	0,6 0,6	33 35
Группы Б: автомобили автобусы	60 70	0,5 0,5	28 30

 

Для проверки возможности движения определенных марок автомобилей используют коэффициенты приведения нагрузок от автомобилей к расчетным. Некоторые значения коэффициентов приведения даны в табл. 3.

Таблица 3

Марка транспортного средства	Статическая нагрузка, приведенная к одной задней оси, кН	Коэффициент приведения к расчетным нагрузкам
		Группа А	Группа Б
ГАЗ-3307, ЗИЛ-4520, 45065, 5343	53 70	0,08 0,20	0,74 1,94
КамАЗ-5320, 5511 КамАЗ-65115 КрАЗ-6510 МАЗ-5516	90 100 120 91	0,27 1,00 2,34 1,04	2,25 - - -

 

Расчетные параметры прочности дорожных одежд и подстилающих грунтов

При ориентировочных расчетах прочности дорожных одежд и проверке допустимой интенсивности движения можно пользоваться следующими данными табл. 4.

 

Таблица 4

Материалы конструктивного слоя	Модуль упругости, МПа
Асфальтобетон: в верхних слоях покрытия в нижних слоях покрытия Щебень, обработанный в установках битумом Щебеночный слой, построенный способом пропитки Щебень, уложенный по способу заклинки Гравийные смеси оптимального состава, укрепленные вязким битумом Грунтовые смеси, укрепленные цементом Гравийные оптимальные смеси Песок мелкозернистый	1500-3000 900-1500 600-900 400-600 250-450   250-350 200-500 150-270 100

 

При назначении модуля упругости подстилающих грунтов учитывают условия увлажнения и просыхания земляного полотна дороги. В зависимости от уровня залегания грунтовых вод, характерного весеннего состояния грунта и его относительной влажности территорию России делят на пять дорожно-климатических зон:

I зона – северная тундровая полоса в пределах распространения многолетнемерзлых грунтов;

II зона – районы таежных и смешанных лесов;

III зона – переходная зона от подзолистых почв к черноземам (лесостепь);

IV зона – территории, покрытые черноземами;

 V зона – характеризуется незначительным увлажнением грунтов вследствие сильной испаряемости (сухая степь).

Кроме деления на дорожно-климатические зоны пользуются понятием о гидрологических группах земляного полотна. Различают три гидрологические группы – три типа местности по характеру поверхностного стока и степени увлажнения:

1-й тип. Сухие места – рельеф местности обеспечивает сток поверхностных вод, грунтовые воды расположены глубоко;

2-й тип. Сырые места с избыточным увлажнением в отдельные периоды – рельеф не обеспечивает стока поверхностных вод, весной и осенью происходит застой дождевых и талых вод, имеются признаки заболачивания;

3-й тип. Сырые места с постоянным избыточным увлажнением – рельеф не обеспечивает отвода воды, грунтовые воды стоят близко от поверхности грунта, высота насыпей не удовлетворяет требованиям технических условий, почвы торфянистые, болотные, солончаки.

В зависимости от дорожно-климатической зоны и типа гидрологической группы меняется модуль упругости подстилающего грунта (табл. 5).

 

Таблица 5

Климатическая зона	Гидрологическая группа	Модуль упругости грунта, МПа
		Супесь легкая	Суглинки
II     III     IV	1 2 3 1 2 3 1 2 3	39 37 35 42 39 39 45 42 42	28 24 21 34 28 28 42 34 34

 

Пример расчета. Проверить, может ли гравийное покрытие на подъездном пути к пристанционной разгрузочной площадке, конструкция которой показана на рис. 7, а, обеспечить пропуск движения с суточной интенсивностью 50 автомобилей КамАЗ-5320 и 80 автомобилей ЗиЛ-4520. Дорога расположена во второй климатической зоне, проходит в невысокой насыпи с обеспеченным стоком поверхностных вод. В случае необходимости рассчитать требуемую толщину усиления верхнего слоя.

 

 

Рис. 7. Схема к определению допускаемого движения по гравийному покрытию и величины необходимого утолщения

Решение. Условия проложения дороги в отношении водоотвода благоприятные и соответствуют первой гидрологической группе, тогда по табл. 5 для расчета можно принять модуль упругости суглинистого грунта – 28 МПа. По табл. 4 принимаем модули упругости гравийного покрытия (среднее значение) – 210 МПа, песок – 100 МПа.

Требуется найти эквивалентный модуль упругости дорожной одежды и затем определить интенсивность, которой он соответствует. Для решения используем номограмму, приведенную на рис. 5.

 

Вначале определяем эквивалентный модуль упругости системы «песчаное основание – суглинистый грунт» (рис. 6, б). Известны значения  расчет ведем на нагрузку группы Б (табл. 2), для которой расчетный диаметр следа колеса  Находим отношения:

 

 

Находим на оси абсцисс точку (рис. 5), соответствующую отношению , а на оси ординат и восстанавливаем для них перпендикуляры. Они пересекаются на поле номограммы в точке, для которой отношение

 

Отсюда

 

Следующий этап расчета – определение эквивалентного модуля всей дорожной одежды (рис. 7, в).

Известны значения:

 

 

Находим отношение

 

Аналогично предыдущему восстанавливаем перпендикуляры из точек на осях, соответствующие эти отношениям. Они пересекаются в точке, для которой:

 

 

Следовательно, эквивалентный модуль упругости дорожной одежды:

 

 

 

При определении допускаемой для дороги интенсивности движения используем номограмму на рис. 6. Откладываем на оси ординат найденное значение  и проводим из этой точки перпендикуляр до пересечения с линией для покрытий переходного типа и нагрузок класса Б. Точка пересечения соответствует интенсивности 200 авт./сут.

Приводя заданную интенсивность движения к эквивалентной нагрузке 60 кН на одиночную ось (автомобиль группы Б, табл. 2), получаем согласно табл. 3:

 

 

В этой формуле 50 и 80 – это количество автомобилей КамАЗ-5320 и Зил-4520 соответственно, 2,25 и 1,94 – это коэффициент приведения к расчетным нагрузкам для автомобилей группы Б.

Таким образом, дорожная одежда заданную интенсивность движения не выдержит. Определим для заданной интенсивности  необходимый модуль упругости. Согласно номограмме (рис. 6):

 

 

Имеем:

 

Восстанавливаем перпендикуляр к точке на шкале ординат, соответствующей этому значению, и продолжаем его до линии на поле номограммы для отношения:

 

 

Опуская из точки их пересечений перпендикуляр на ось абсцисс, находим искомое отношение:

 

 

Необходимая толщина гравийного покрытия:

 

И, следовательно, существующее покрытие должно быть утолщено на 4,5 см.

 

Варианты заданий

1. Проверить, может ли дорожная одежда (рис. 8, а) обеспечить пропуск движения с суточной интенсивностью 120 автомобилей КамАЗ-65115. Дорога расположена во Владимирской области, проходит в невысокой насыпи с обеспеченным стоком поверхностных вод. При необходимости рассчитать необходимое утолщение асфальтобетонного слоя.

 

 

Рис. 8. Варианты конструкций дорожных одежд

 

2. Проверить, может ли дорожная одежда (рис. 8, б) обеспечить пропуск движения с суточной интенсивностью 80 автомобилей КамАЗ-5320 и 40 автомобилей ГАЗ-3307. Дорога расположена во Владимирской области, проходит в невысокой насыпи по торфянистым почвам, сток поверхностных вод не обеспечен. При необходимости рассчитать необходимое утолщение щебеночного слоя, построенного способом пропитки.

3. Проверить достаточность толщины асфальтобетонного покрытия дороги (рис. 8, в) на пути к строительной площадке, и рассчитать в случае необходимости толщину слоя необходимого усилия. Расчетное движение 20 авт./сут МАЗ-5432+МАЗ-9758 (седельный тягач с полуприцепом) расчетная нагрузка на ось 100 кН. Дорога расположена во второй дорожно-климатической зоне. Сток воды обеспечен, возвышение полотна удовлетворяет требованиям технических условий.

4. Проверить достаточность толщины гравийного покрытия (рис. 8, г) на пути из песчаного карьера, и рассчитать в случае необходимости толщину слоя необходимого усилия. Расчетное движение 140 авт./сут КрАЗ-6510. Дорога расположена в Ивановской области. Сток воды обеспечен, возвышение полотна удовлетворяет требованиям технических условий.

5. Проверить возможность движения автомобилей по временной дороге (рис. 8, д). Расчетная суточная интенсивность движения 50 автомобилей ЗИЛ-45065, 20 автомобилей МАЗ-5335 (нагрузка на ось 90 кН), 40 автомобилей ГАЗ-3307. Определить допустимую нагрузку на ось для суточной интенсивности 200 автомобилей. Дорога проходит в третьей дорожно-климатической зоне. Дорожные одежды положены непосредственно на выровненную поверхность суглинистого грунта. Рельеф не обеспечивает отвода воды.

Задание:

1. По исходным данным произвести расчет нежестких дорожных одежд.

2. Составить необходимые расчетные схемы.

3. Сделать заключение о пригодности дорожной одежды и дать рекомендации по ее улучшению.

 

Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки:

 

1. Назовите виды и назначение основных слоев дорожной одежды.

2. Охарактеризуйте каждую из групп дорожных одежд по степени капитальности.

3. В чем отличие между жесткими и нежесткими дорожными одеждами с точки зрения восприятия и распределения нагрузок?

4. С какой целью вводится понятие эквивалентного модуля упругости?

5. Как влияют на модуль упругости подстилающих грунтов характер поверхностного стока и степень увлажнения?

 

Оформление и защита отчета

Порядок оформления:

1. Цель работы.

2. Теоретическая часть.

3. Задание.

4. Расчетные схемы.

5. Выводы.

Защита практической работы производится при полностью оформленном отчете.

 

 

 

Рис. 9. Условные изображения материалов дорожной одежды:

1 – супесь; 2 – супесь мелка; 3 – суглинок; 4 – суглинок тяжелый; 5 – суглинок пылеватый; 6 – грунт пылеватый; 7 – глина; 8 – песок среднезернистый; 9 – песок пылеватый; 10 – глина валунная; 11 – песок гравелистый; 12 – каменный навал с песком; 13 – торф; 14 – сапропель; 15 – мохорастительный покров; 16 – ил, иловатый грунт; 17 – насыпной грунт; 18 – строительный мусор; 19 – гравий; 20 – галька; 21 – дресва; 22 – гранит; 23 – диабаз; 24 – сланец глинистый; 25 – сланец метаморфический; 26 – мергель; 27 – известняк; 28 – известняк ракушечник; 29 – песчаник; 30 – засоленность грунта (показывается дополнительно на условном обозначении грунта)

 

Практическая работа №4