Конструирование и расчет дорожных одежд

 

Дорожные одежды, как было указано ранее, делятся на капитальные и переходные. Выбор типа одежды зависит от категория улицы и дороги, состава и размеров движения, особых условий эксплуатации. Выбор производится по вариантам с учетом экономической эффективности конструкций равной прочности. Сроки службы отдельных дорожных одежд: асфальтобетон – 17 лет, цементобетон – 35 лет, брусчатые и мозаиковые -50 лет, грунтовые — 5 лет.

 

 При проектировании следует учитывать возможность использования местных материалов, наличие предприятий сборных элементов и т.д. Основной составляющей стоимости дорожных одежд является стоимость материалов (в т. ч. транспортные расходы). В большинстве случаев применяют типовые конструкции дорожных одежд. Возможно устройство комбинированных покрытий на полосах основного движения, второстепенного, тротуарах.

 

Конструктивные типы дорожной одежды:

 

жесткие или упруго-жесткие (бетон железобетон);

нежесткие (необработанные минеральные материалы).

 

Расчетная схема конструкции – слоистое упругое пространство, равномерно нагруженное по площади круга. При многослойной одежде напряжения, возникающие в нижних слоях и влияние динамических воздействий резко снижаются. Поэтому их можно устраивать из менее прочных материалов, чем верхние слои. Грунтовые основания играют важную роль в обеспечении прочности дорожной одежды, поэтому при проектировании рассматривается прочность комплексной конструкции «одежда – земляное полотно». В многослойной конструкции различают следующие элементы:

 

покрытие – верхняя часть дорожной одежды, воспринимающая усилия от колес автомобилей и подвергающаяся непосредственному воздействию атмосферных факторов;

  основание – несущая часть дорожной одежды, обеспечивающая совместно с покрытием перераспределение и снижение давления на расположенные ниже дополнительные слои или грунт земляного полотна. Основания должны быть монолитными, сдвигоустойчивыми и хорошо сопротивляться растяжению при изгибе;

нижние слои основания (подстилающие слои) менее прочны, но морозо- и водостойкие. Подстилающий слой воспринимает нагрузку от основания, перераспределяет её и передает на грунт;

дополнительные слои основания устраивают между основанием и грунтом на участках с неблагоприятными климатическими и грунтово-гидрологическими условиями. Они обеспечивают морозоустойчивость и дренирование конструкций. В соответствии с основной функцией их называют морозозащитными, теплоизоляционными, дренирующими; могут быть также прослойки гидро-пароизоляционные, капиллярно-прерывающие, противозаиливающие. В основном – это песок, прослойки из дренирующих тканей типа «геотекстиль». В районах вечной мерзлоты теплоизоляционные слои устраивают из современных высокоэффективных материалов.

 

Задачи конструирования дорожной одежды:

 

назначение типа покрытия;

 

выбор материалов и размещение их в конструкции так, чтобы лучше проявились их грузораспределяющая и деформативная способность, прочностные и теплофизические свойства;

 

установление числа слоев и их ориентировочных толщин;

 

 назначение морозо- или теплозащитных мер, мер по повышению трещиностойкости и сдвигоустойчивости.

 

Принципы конструирования:

 

 тип покрытия, конструкции дорожной одежды должны удовлетворять транспортно-эксплуатационным требованиям в соответствии с категорией улицы;

 

конструкцию выбирают типовую или разрабатывают вновь, но пspan style=»font-family: Times New Roman;»/spanредпочтение отдается проверенной на практике конструкции;

 

 использование местных материалов с улучшением их свойств добавками вяжущих; максимальная механизация и индустриализация работ;

 

для предотвращения появления «копирующихся» трещин на покрытии минимальную допустимую толщину слоев из материалов на органических вяжущих и укладкой на p style=»text-align: justify;»основание из материалов укрепленных цементом, принимают 10… 16 см.

 

Общую толщину дорожной одежды назначают по расчету на прочность и морозоустойчивость. Если толщина дорожной одежды по прочности меньше толщины дорожной одежды по морозоустойчивости, то предусматривают дополнительный слой. Необходимо предусматривать как можно меньше число слоев (от 2 до 4 без учета дополнительных слоев) из разных материалов.

 

 Прочность и устойчивость дорожных одежд должна быть достаточной для предотвращения возможностей превышения допустимых деформаций с учетом многократного приложеня нагрузок, создаваемых проходящим автомобильным транспортом. Деформативная способность дорожных одежд характеризуется модулями их деформаций. Многослойную одежду приводят условно к эквивалентной по прочности однослойной одежде.

При этом принимают:

 

Е — модули деформации материала дорожной одежды;

 

Еэкв- эквивалентный модуль деформации на поверхности каждого слоя.

 

 

 

 

Конструкция дорожной одежды: 1 слой — мелкозернистый асфальтобетон; 2 слой — крупнозернистый асфальтобетон; 3 слой – щебеночные основания; 4 слой – песчаный подстилающий слой; 5 слой – грунт

 

 Наряду с прочностью дорожной одежды должно обеспечиваться условие необходимой её устойчивости, для чего нагрузки на грунт земляного полотна не должны превышать допускаемых. Упругие свойства грунтов характеризуют модулем упругости. Если модуль упругости меньше 40 МПа – рекомендуется укрепление верхней части земляного полотна небольшим количеством вяжущего (цемент 3 — 4 %, зола уноса 10…15%, шлаки, и т.п.). Это стабилизирует физико-механические свойства и повышает его модуль упругости.

 

 

 Расчет дорожной одежды на прочность

Задача расчета: определение толщины слоев дорожной одежды в вариантах, пользуясь деформативными и прочностными характеристиками исходных маp class=»MsoNormal» style=»margin-bottom:.0001pt; line-height: normal;»териалов.

 

Расчет основан на следующих предпосылках:

— зависимость деформации от напряжения для материалов и грунтов при расчетных нагрузках, влажности, плотности и температуры является линейной;

 

— напряженно-деформативное состояние дорожной одежды под действием местной нагрузки определяется решениями теории упругости для слоистого полупространства с учетом условий сопряжения слоев на контактах;

 

— влияние продолжительности и повторности действия нагрузок от движения транспорта на напряженно-деформативного состояния дорожной одежды учитывается введением характеристик усталостных свойств;

 

— силы инерции не учитывают; — реальные многослойные конструкции приводятся к двух и трехслойным моделям;

 

— одежды на остановках общественного транспорта, перекрестках и т.п. рассчитаны на многократное кратковременное действие;

 

— дорожную одежду нужно рассчитывать с учетом надежности, под которой подразумевают вероятность безотказной работы конструкции в течение всего периода между капитальными ремонтами.

 

Отказ – это такое состояние дорожной одежды и соответствующий ему коэффициент прочности, при котором требуется проведение капитального ремонта ранее срока, установленного действующими нормами. Количественный показатель – уровень надежности, определяемый по формуле:

 

, при Kпроч= 0,9 — 1, 0, где

L – протяженность участка дороги, не требующего ремонта;

 

Lобщ – общая протяженность дороги;

 

 Kпроч — коэффициент прочности. Допустимый уровень надежности дорожной одежды:

 

— капитального типа Кн=0,95, Kпроч =1;

 

— облегченного типа Кн=0,85, Kпроч =0,9.

 

С учетом уровня надежности определяют расчетные значения сопротивления растяжению при изгибе асфальтобетона и влажности грунта (Wгр).

 

 Основа расчета – перспективная приведенная интенсивность воздействия нагрузки в период, неблагоприятный для работы дорожных одежд. Устанавливается при экономических обследованиях путем анализа закономерностей изменения интенсивности движения и объемов перевозок.

 

Перспективный срок:

 

 П= X +Y+ Z, где

 

X –число лет от года последнего учета движения на существующей дороге до начала строительства;

 

Y – число лет от начала строительства до ввода в эксплуатацию;

 

Z – продолжительность периода между капитальными ремонтами.

 

Критерии прочности:

 

— сопротивление сдвигу в грунтах и слоях из слабосвязных материалов;

 

 — сопротивление растяжению при изгибе монолитных слоев;

 

— сопротивление упругому прогибу всей конструкции.

 

 Конструкция дорожной одежды считается прочной, если коэффициент прочности по каждому из критериев больше или равен критерию прочности, найденному с учетом требуемого уровня надежности. Минимальные значения толщины слоев (независимо от прочности) нормируются: асфальтобетон крупнозернистый – 6-7 см.; асфальтобетон мелкозернистый — 3 – 5 см.; щебень, гравий — 15 см. При проектировании усиления дорожной одежды (сетка трещин, выбоины) минимальную толщину слоя усиления из материала, содержащего органическое вяжущее, назначают с учетом интенсивности движения: приведенная интенсивность 100 ед/сут. — 7 см.; 2000ед/сут. — 13 см..

 

По результатам расчета принимают конструкцию дорожной одежды. Проверка деформативных свойств проводится непосредственно на дороге штамповыми испытаниями или специальными приборами. Модуль упругости сравнивают с требованиями СНиП: Eупр ≥ E (СНиП)

 

Проектирование водостоков

 

 Система водостоков бывает открытая и закрытая. Допускаемая длина свободного пробега поверхностных вод до водоприемных и водоотводящих сооружений не должна превышать определенных величин в зависимости от продольного уклона:

 

iпрод ≤ 4 промилей – 100 м.; iпрод = 4 –6 промилей – 150 м.; iпрод ≥ 6 промилей – 250 – 300 м. Водосток отдельных участков проектируют, увязывая с общей генеральной схемой водоотвода города. Проектирование включает: — размещение водосточной системы на плане; — гидравлические расчеты и выбор типа и конструкции водостоков; — проектирование продольного профиля; — размещение водоприемных и смотровых колодцев и т.д.

 

Проектирование начинается с определения границ и площадей бассейна стока. По расчетам расхода воды устанавливают типы и размеры поперечных сечений труб, коллекторов, открытых канав. Водоприемные колодцы закрытых водостоков размещают у перекрестков (перед пешеходными переходами), у выездов из дворов и кварталов, в интервалах между ними на расстояниях шага проектирования по нормативным правилам (в зависимости от уклона iпрод — от 50 до 90 м, при большой ширине проезжей части – до 70 м.). Трассы водостоков проектируют прямолинейными участками с минимальным количеством углов поворотов.

 

Для гидравлического расчета определяют расчетный расход воды – количество воды в или,  которое должно пропустить рассчитываемое сооружение в единицу времени (сек). Наибольший расход воды (в период ливневых дождей) определяется по формуле:

 

 

 л/сек., где

 -расчетная интенсивность дождя в л/сек. на га;

 

  — средний коэффициент стока или части его, тяготеющего к рассматриваемому сооружению;

 

— площадь бассейна стока, га.

 

Бассейном стока называют участок территории, ограниченный водораздельными линиями, по которым происходит сток поверхностных вод в направлении водоотводящего сооружения.

 

 Коэффициентом стока называют отношение интенсивности стока к интенсивности дождя. < 1, так как сток снижается за счет различных факторов, главным из которых является просачивание в грунт. Чем больше площадь грунта, тем меньше . Коэффициент стока принимают в зависимости от типа поверхности стока: крыши зданий — 0,95, асфальтобетонные и цементобетонные покрытия — 0,9, булыжные мостовые, щебеночные и гравийные покрытия, озелененные участки — 0,1…0,2.

 

Средние значения коэффициента стока принимают в зависимости от типа застройки:

Небольшие города – 0,25… 0,35;

 

Малоэтажные застройки – 0,3…0,4;

 

Многоэтажные застройки – 0,4…0,6;

 

Старые города со сплошной застройкой – 0,6…0,9.

 

Расчетную интенсивность дождяопределяют по формуле:

 

 , л/сек. на 1 га, где — расчетная продолжительность дождя для данной местности, мин.;

и — параметры, зависящие от местных климатических условий.

 

 (7 + ), где

q20— расчетная интенсивность дождя для данной местности;

 

— повторяемость расчетных дождей в годах;

с — климатический коэффициент;

— параметр, определяемый по карте с изолиниями.

t, А, n, q20, С определяют по специальным картам или таблицам. Повторяемость расчетных дождей p принимают в зависимости от типа территории (магистральные улицы, площади, застроенные территории, парки) и условий проложения водостоков. Колеблется от 1 (парки) до 100 лет (для магистральных улиц и благоприятного водоотвода).

 

Например, для Москвы:      с=85, n=0,65.  

 

Условия проложения водостока могут быть:

— благоприятные — водосток проходит близко к водоразделу;

— средние — водосток проходит по пологому склону;

— неблагоприятные — по дну глубокого тальвега;

 — особо неблагоприятные — отвод из котловины.