Расчет нежестких дорожных одежд на прочность

Проектирование нежестких дорожных одежд. ОДН 218.046-01.

 

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

Расчет дорожной одежды заключается в установлении необходимой толщины отдельных слоев и всей одежды в целом или выбор материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

Критерии расчета:

1) расчет по допустимому упругому прогибу;

2) расчет несвязных конструктивных слоев и подстилающего грунта на устойчивость против сдвига;

3) расчет констр-ных слоев из монолитных материалов усталостному разрушению при растяжении при изгибе;

 

Доп.критерии расчета:

- Расчет ДО на морозоустойчивость;

- Расчет осушения верха ЗП и ДО.

 

В соответствии с ОДН дорожную одежду следует проектировать с требуемым уровнем надежности, под которой понимают вероятность безотказной работы в течение межремонтного периода. 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 (частые трещины, сетка трещин, выбоины, просадки, проломы и т.д.).

Количественый показатель отказа ДО – предельный коэффициент разрушения , представляющий собой отношение суммарной протяженности (или суммарной площади) участков дороги, требующих ремонта из-за недостаточной прочности дорожной одежды, к общей протяженности (или общей площади) дороги между корреспондирующими пунктами.

Прочность конструкции количественно оценивается величиной коэффициента прочности.

Прочность обеспечена, если:

Значения и принимаются в зависимости от капитальности дорожной одежды и категории дороги, а также от заданного уровня надежности.

 

Величина упругого прогиба зависит от деформативных способностей покрытия и повторяемости расчетной нагрузки.

При проектировании дорожных одежд в качестве расчетных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось расчетного двухосного автомобиля. Если в задании на проектирование расчетная нагрузка не оговорена специально, за расчетную принимают нагрузку, соответствующую расчетному автомобилю группы А.

В качестве расчетного типа используют наиболее тяжелый автомобиль из систематически обращающихся по дороге, доля которых составляет не менее 10 % (с учетом перспективы изменения состава движения к концу межремонтного срока).

Перспективную общую среднесуточную интенсивность устанавливают по данным анализа закономерностей изменения объема перевозок и интенсивности движения при проведении титульных экономических обследований.

Для расчета дорожной одежды необходимо интенсивность движения в приведенных к легковому автомобилю привести к интенсивности расчетного автомобиля группы А₁ на последний год срока службы (N_р).

 

1) расчет по допустимому упругому прогибу

 

Условие: Е_общ > Е_тiп

где Е_об - общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа;

Е_тiп - минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции, МПа;

- требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию упругого прогиба.

Последовательность:

1. Определяют требуемый минимальный общий модуль конструкции.

2. Назначают модули и предварительно толщины слоев конструкции (кроме толщины основания).

3. Выполняя расчет конструкции сверху вниз, определяют с помощью номограммы, требуемые модули на поверхности каждого конструктивного слоя.

 

(по номограмме) МПа

Все слои аналогично.

4. Выполняя расчет конструкции снизу вверх, определяют толщину основания (при заданном его модуле), обеспечивающую необходимый модуль на поверхности основания, полученный при расчете сверху.

;

(по номограмме) = > см

 

2) расчет несвязных конструктивных слоев и подстилающего грунта на устойчивость против сдвига;

условие:

,

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.

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

 

3) расчет констр-ных слоев из монолитных материалов усталостному разрушению при растяжении при изгибе;

условие:

,

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

s_r - наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое; определяют с помощью номограммы, приводя реальную конструкцию к двухслойной модели.

К верхнему слою модели относят все асфальтобетонные слои, включая рассчитываемый.

Нижним (полубесконечным) слоем модели служит часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев, включая грунт рабочего слоя земляного полотна.

Независимо от результатов расчета на прочность дорожной одежды толщины конструктивных слоев в уплотненном состоянии следует принимать не менее приведенных в таблице 8.9.

Таблица 8.9

 

Материалы покрытий и других слоев дорожной одежды	Толщина слоя, см
Крупнозернистый асфальтобетон (с размером зерен до 40 мм)
Мелкозернистый асфальтобетон (до 20 мм)
Щебеночно-мастичный асфальтобетон (до 10 мм) и песчаный асфальтобетон (до 5 мм)
Щебеночные (гравийные) материалы, обработанные органическим вяжущим
Щебень, обработанный органическим вяжущим по способу пропитки
Щебеночные и гравийные материалы, не обработанные вяжущим:
на песчаном основании
на прочном основании (каменном или из укрепленного грунта)
Каменные материалы и грунты, обработанные органическими или неорганическими вяжущими

Толщину конструктивного слоя принимают во всех случаях не менее двойного размера наиболее крупной фракции применяемого минерального материала.

В случае укладки каменных материалов на глинистые грунты предусматривают прослойку из геосинтетических материалов или прослойку толщиной не менее 10 см из песка, высевок, укрепленного грунта или других водоустойчивых материалов.

Между конструктивным слоем из каменных материалов и слоем из мелкозернистых грунтов предусматривают прослойку из геосинтетического материала или прослойку толщиной не менее 10 см из песка, высевок, укрепленного грунта или других водоустойчивых материалов.

Верхний слой покрытия толщиной 0,03 м и менее в расчет прочности конструкции дорожной одежды не включают.

 

В зарубежной практике существуют различные методы расчета дорожной одежды, которые могут быть сведены в 3 группы:

- эмпирические, основанные на учете опыта проектирования и строительства дорожной одежды, не требующие спец. испытаний прочности грунтов (толщина одежды определяется по графикам в зависимости от несущей способности грунта земляного полотна);

- упрощенно учитывающие распределение напряжений от расчетного колеса автомобиля в однородном упругом массиве и несущую способность грунтов обычно по т. н. калифорнийскому методу с введением в расчетные формулы поправочных коэффициентов, отражающих влияние климатич. условий и интенсивности движения на основе опыта эксплуатации Д. о.;

- теоретич. методы, основанные на законах распределения напряжений в многослойных системах и на установленных характеристиках прочности грунта в виде модулей деформации или упругости.

Расчет жестких ДО

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

К жестким дорожным одеждам следует относить одежды, имеющие:

· цементобетонные монолитные покрытия;

· асфальтобетонные покрытия на основаниях из цементобетона;

· сборные покрытия из железобетонных или предварительно напряженных железобетонных и армобетонных плит.

Толщина бетонных покрытий должна быть, как правило, одинаковой по всей ширине проезжей части. Бетонные покрытия могут быть однослойными или при наличии соответствующего технологического оборудования - двухслойными, устраиваемыми методом сращивания слоев с одновременным уплотнением верхнего и нижнего слоев, с толщиной верхнего слоя не менее 6 см.

Толщину бетонных покрытий h определяют расчетом с учетом вида оснований, но не менее приведенной в таблице.

Вид основания	Толщина покрытия, см, по категориям дорог
	I	II-III	IV-V
Бетонное или из каменных материалов и грунтов, обработанных неорганическими вяжущими
Щебеночные и гравийные	-
Песчаные, песчано-гравийные	-	-

 

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.

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

Длину плит l_сж (расстояние между поперечными швами сжатия) на укрепленном основании и на устойчивом земляном полотне принимают по расчету, но не более 25 h, на земляном полотне с ожидаемыми неравномерными осадками (включая насыпи высотой более 3 м) – 22 h, а в местах перехода из выемок в высокие насыпи, в местах примыкания к искусственным сооружениям и в покрытиях шириной 6 м и менее – 20 h.

Продольные швы предусматривают при ширине покрытия более 23 h.

В основаниях из бетона класса В12,5 и выше необходимо предусматривать продольные и поперечные швы сжатия и расширения.

 

Асфальтобетонные покрытия на цементобетонном основании могут быть одно-, двух- и трехслойными.

При конструировании жестких дорожных одежд с верхним слоем из асфальтобетона должны быть предусмотрены мероприятия, обеспечивающие замедление процесса возникновения отдельных температурных трещин в покрытии, в том числе с использованием армирующих геосеток и геокомпозитов.

В цементобетонном основании устраивают швы сжатия через 15 м. Допускается устройство основания без поперечных швов.

Для повышения трещиностойкости асфальтобетонного покрытия над поперечными швами в основании рекомендуется армировать асфальтобетон над швами сетками, располагая их симметрично вдоль шва; ширина сеток 80-160 см.

Продольные швы в основании устраивают при ширине покрытия более 9 м и на участках с ожидаемыми неравномерными осадками земляного полотна. Продольные швы не армируются.

 

Покрытия из сборных железобетонных плит на автомобильных дорогах предусматривают для сложных природных условий (в северных и труднодоступных районах, в том числе на дорогах нефтяных и газовых промыслов) или при высоких насыпях, когда трудно обеспечивать стабильность земляного полотна.

На боковых продольных гранях плит предусматривают монтажно-стыковые устройства в виде горизонтальных или вертикальных скоб.

Швы в покрытии можно заполнять в нижней части или на всю высоту раствором, в верхней части - мастикой. Для большей сохранности кромок и для удобства демонтажа плит, работающих на первой стадии при двухстадийном строительстве, швы на первой стадии должны быть заполнены песком.

Основания под сборные покрытия могут устраиваться различных типов (рис.2.6). Конструкция основания определяется по расчету.

 

Рис.2.6. Виды оснований под сборное покрытие:

1 - песчаное; 2 - то же, со слоем геотекстиля (СНМ); 3 - песчаное, в том числе с СНМ, с прокладками под углами и торцами плит; 4 - цементогрунтовое; 5 – песчаное с продольными полосами из цементогрунта или сухой цементопесчаной смеси; 6 -из сухой цементопесчаной смеси; 7 - из шлака или шлама; 8 - из нефтегрунта, нефтецементогрунта или грунта с добавкой отработанных буровых растворов; 9 - из сборных, в том числе некондиционных плит

Жесткие дорожные одежды рассчитывают с учетом уровня надежности (вероятности безотказной работы конструкции в течение намеченного срока эксплуатации). Коэффициент прочности К_пр

Напряжения растяжения при изгибе определяют по одной из двух расчетных схем, учитывающих условия контакта плиты с основанием и место расположения нагрузки.

Первая расчетная схема применяется для определения толщины покрытия при условии гарантированной устойчивости земляного полотна и отсутствия неравномерных осадок или выпучивания; характеризуется наличием полного контакта плит с основанием под всей площадью плиты. Расчетное место приложения нагрузки в дорожном покрытии - продольный внешний край в центре по длине плиты.

Вторая расчетная схема применяется для определения расстояния между поперечными швами, а также толщины плит в особых условиях для дорог низких категорий при заданной их длине на участках с ожидаемыми неравномерными осадками или неравномерным пучением земляного полотна.

 

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 в поперечных швах покрытия;

по устойчивости в 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.

Расчет на прочность покрытий из монолитного цементобетона проводят с учетом величины и повторяемости суммарных напряжений от нагрузок автомобилей и температуры.