Расчеты нежестких дорожных одежд на прочность

Под прочностью нежесткой 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 на прочность включает проверку прочности конструкции в целом (по величине возникающего в ней упругого прогиба) и прочности отдельных конструктивных слоев (по величине возникающих в них напряжений). В соответствии с ОДН 218.046-01 нежесткую 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 продольных и поперечных неровностей поверхности дорожной одежды, связанных с прочностью конструкции (поперечные неровности, колея, усталостные трещины), с последующим развитием других видов разрушений (частые трещины, сетка трещин, выбоины, просадки, проломы и т.д.).

В качестве количественного показателя отказа дорожной одежды используют 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.

Значения на последний год службы в зависимости от капитальности дорожной одежды и категории дороги следует принимать в соответствии с табл. 12.3.

Таблица 12.3.

Требуемые минимальные коэффициенты прочности при заданных уровнях надежности для расчета дорожных одежд по различным критериям прочности

Тип дорожной одежды	Капитальный
Категория дороги	I	II	III	IV
Предельный коэффициент разрушения	0,05	0,10
Заданная надежность Кн	0,98	0,95	0,98	0,95	0,98	0,95	0,90	0,95	0,90	0,85	0,80
Требуемый коэффициент прочности по критерию:	упругого прогиба	1,50	1,30	1,38	1,20	1,29	1,17	1,10	1,17	1,10	1,06	1,02
сдвига и растяжения при изгибе	1,10	1,00	1,10	1,00	1,10	1,00	0,94	1,00	0,94	0,90	0,87
Тип дорожной одежды	Облегченный
Категория дороги	III	IV	V
Предельный коэффициент разрушения	0,15
Заданная надежность Кн	0,98	0,95	0,90	0,95	0,90	0,85	0,80	0,95	0,90	0,80	0,70
Требуемый коэффициент прочности по критерию:	упругого прогиба	1,29	1,17	0,90	1,17	0,90	1,06	1,02	1,13	1,06	0,98	0,90
сдвига и растяжения при изгибе	1,10	1,00	0,94	1,00	0,94	0,90	0,87	1,00	0,94	0,87	0,80
Тип дорожной одежды	Переходный
Категория дороги	IV	V
Предельный коэффициент разрушения	0,40
Заданная надежность Кн	0,95	0,90	0,85	0,80	0,95	0,90	0,80	0,70
Требуемый коэффициент прочности по критерию:	упругого прогиба	1,17	1,10	1,06	1,02	1,13	1,06	0,98	0,99
сдвига и растяжения при изгибе	1,00	0,94	0,90	0,87	1,00	0,94	0,87	0,80

Примечание. Дорожные одежды переходного типа для дорог V категории по критерию растяжения при изгибе не рассчитывают.

Прочность нежесткой дорожной одежды количественно оценивается величиной коэффициента прочности. При оценке прочности конструкции дорожной одежды в целом по допускаемому упругому прогибу коэффициент прочности в общем виде определяют по формуле:

При оценке прочности отдельных конструктивных слоев по допускаемым напряжениям коэффициент прочности определяют по формуле:

где

l_доп - допустимый общий прогиб конструкции дорожной одежды под расчетной нагрузкой;

l - общий прогиб конструкции дорожной одежды под расчетной нагрузкой;

s_доп - допустимые напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки;

s_расч - действующие напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки;

Е_общ - расчетный общий модуль упругости конструкции дорожной одежды, определяемый при расчетной нагрузке;

- требуемый общей модуль упругости конструкции дорожной одежды, определяемый при расчетной нагрузке.

Коэффициент прочности вновь проектируемой конструкции дорожной одежды должен быть таким, чтобы в заданный межремонтный период вероятность наступления отказа по прочности не превышала допустимый уровень, т.е. чтобы была обеспечена требуемая надежность.

Для обеспечения заданной надежности (обеспеченности по прочности) коэффициент прочности проектируемой конструкции по каждому из расчетных критериев не должен быть ниже минимального требуемого значения, определяемого по табл. 12.3. Задачей расчета является определение толщин слоев одежды для вариантов, намеченных при конструировании, или выбор материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

Отказ дорожной одежды, связанный с недостаточной ее прочностью, может возникнуть в результате накопления недопустимых остаточных деформаций до истечения заданного срока службы конструкции под воздействием касательных напряжений, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от транспортной нагрузки, с потерей ровности поверхности покрытия и соответствующим снижением скорости движения, а также в результате усталостных разрушений монолитных слоев конструкции под воздействием растягивающих напряжений от многократного приложения транспортной нагрузки с последующей интенсивной потерей дорожной одеждой транспортно-эксплуатационных свойств до истечения заданного срока службы.

В соответствии с этим расчет на прочность конструктивных слоев выполняют по допускаемым напряжениям на сдвиг в слоях с пониженной сопротивляемостью сдвигу и на растяжение при изгибе в монолитных слоях. Расчет прочности конструкции в целом ведут по допустимому упругому прогибу или требуемому общему модулю упругости дорожной одежды.

Дорожные одежды на перегонах дорог рассчитывают на кратковременное многократное действие подвижных нагрузок. Принимаемые при расчете значения прочностных и деформативных характеристик материалов и грунта должны соответствовать указанному характеру приложения нагрузки.

При расчете конструкций со слоями из битумоминеральных материалов учитывают влияние на их свойства температуры. При расчете слоев асфальтобетонного покрытия на растяжение при изгибе его характеристики должны соответствовать низким весенним температурам. При расчете слоев из слабосвязанных материалов, а также грунта на сопротивление сдвигу модуль упругости асфальтобетонного покрытия должен соответствовать весенним повышенным температурам.

Расчет дорожной одежды на прочность выполняют в следующей последовательности. Сначала производят расчет дорожной одежды по критерию упругого прогиба на основе зависимости требуемого общего модуля упругости конструкции от суммарного числа приложений нагрузки. В результате этого расчета назначаются толщины конструктивных слоев и их модули упругости таким образом, чтобы общий модуль упругости дорожной одежды был не менее требуемого с учетом соответствующего коэффициента прочности. Значения требуемого коэффициента прочности для различных критериев расчета допускается принимать в зависимости от заданного уровня надежности, типа дорожной одежды и категории дороги по табл. 12.3.

Затем производят расчет на прочность отдельных конструктивных слоев дорожной одежды по двум независимым критериям: по критерию соответствия сдвигоустойчивости материалов конструктивных слоев и грунта возникающим в них касательным напряжениям, отражающему условие ограничения накопления сдвиговых остаточных деформаций (формоизменения) под воздействием многократных кратковременных нагрузок; по критерию соответствия сопротивления материалов монолитных конструктивных слоев возникающим в них растягивающим напряжениям от подвижной многократной нагрузки, отражающему сопротивление этих слоев усталостным процессам, обусловливающим развитие микротрещин в монолитных слоях, потерю их сплошности и снижение распределяющей способности.

При недостаточной величине коэффициента прочности по любому критерию конструкцию дорожной одежды уточняют.

Дорожные одежды переходного и низшего типов рассчитывают по упругому прогибу и по сдвигоустойчивости.

Напряжения и перемещения в конструктивных слоях и в подстилающем грунте от воздействия транспортной нагрузки вычисляют по формулам теории упругости для слоистой среды, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой через гибкий круглый штамп, с учетом условий на контакте слоев.

При оценке характеристик напряженно-деформированного состояния конструкции дорожной одежды используют приближенные методы, основанные на упрощенных расчетных схемах и построенных на их основе номограммах. При выполнении расчетов реальные многослойные дорожные конструкции приводят к одно- или двухслойным расчетным схемам.

Главные напряжения от собственного веса конструкции определяют, исходя из гидростатической схемы, по формуле:

s_св = g_ср × z_on, где

g_ср - средневзвешенный удельный вес конструкции, расположенной над расчетной точкой;

z_on - расстояние от поверхности покрытия до расчетной точки.

В качестве упрощенной расчетной схемы нагружения конструкции дорожной одежды колесом автомобиля принимается гибкий круговой штамп диаметром D, передающий равномерно распределенную нагрузку величиной р. Величина расчетного удельного давления р колеса на поверхность покрытия и расчетного диаметра D, приведенного к кругу отпечатка шины расчетного колеса на поверхности покрытия, назначаются с учетом группы расчетной нагрузки (табл. 12.4). Характерным для группы расчетной нагрузки является наиболее тяжелый автомобиль из систематически обращающихся по дороге, доля которого в составе движения составляет не менее 10 % (с учетом перспективы применения состава движения к концу межремонтного срока).

Таблица 12.4.

Предельные нагрузки на ось расчетного двухосного автомобиля

Группа расчетной нагрузки	Нормативная статическая нагрузка на ось, кН	Нормативная статическая нагрузка на поверхность покрытия от колеса расчетного автомобиля, Qрасч, Кн	Расчетные параметры нагрузки
р, МПа	D, см
А1			0,60	37/33
А2			0,60	39/34
А3			0,60	42/37

Примечания: 1. В числителе - для движущегося колеса, в знаменателе - для неподвижного.

2. Постановлением Госстроя России №132 от 30.06.2003 для дорог I и II категории введена нормативная нагрузка на ось 115 кН.

Величину р принимают равной давлению воздуха в шинах. Диаметр расчетного отпечатка шины D определяют из зависимости:

см, где

Q_расч - расчетная величина нагрузки, передаваемой колесом на поверхность покрытия, кН;

р - давление, МПа.

При проектировании дорожных одежд в качестве расчетных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось расчетного двухосного автомобиля.

Данные о нагрузках, передаваемых на дорожное покрытие выпускаемыми серийно автотранспортными средствами, следует принимать по специальным справочникам.

Значение суммарного коэффициента приведения определяют по формуле:

где (12.1)

п - число осей у данного транспортного средства, для приведения которого к расчетной нагрузке определяется коэффициент S_Tсyм;

S_п - коэффициент приведения номинальной динамической нагрузки от колеса каждой из п осей транспортного средства к расчетной динамической нагрузке.

Коэффициенты приведения нагрузок S_п определяют по формуле:

где (12.2)

Q_дn - номинальная динамическая нагрузка от колеса на покрытие;

Q_д.paсч - расчетная динамическая нагрузка от колеса на покрытие;

b - показатель степени, принимаемый равным:

4,4 - для капитальных дорожных одежд;

3,0 - для облегченных дорожных одежд;

2,0 - для переходных дорожных одежд.

Номинальную динамическую нагрузку Q_дn определяют по паспортным данным на транспортное средство с учетом распределения статических нагрузок на каждую ось:

Q_дn = К_дин × Q_n, где

К_дин - динамический коэффициент, принимаемый равным 1,3;

Q_n - номинальная статическая нагрузка на колесо данной оси.

При определении расчетного значения номинальной статической нагрузки для многоосных автомобилей фактическую номинальную нагрузку на колесо, определяемую по паспортным данным, следует умножать на коэффициент К_с, вычисляемый по формуле:

где

Б_т - расстояние между крайними осями тележки, м;

а, в, с - параметры, определяемые в зависимости от капитальности дорожной одежды и числа осей тележки по табл. 12.5.

Таблица 12.5.

Параметры для определения номинальной нагрузки на колесо

Тележки	А	В	С
Двухосные	1,7/1,52	0,43/0,36	0,5/0,5
Трехосные	2,0/1,60	0,46/0,28	1,0/1,0

Примечание. В числителе - для капитальных и облегченных типов дорожных одежд, в знаменателе - для переходных.

Суммарный коэффициент приведения определяют в следующей последовательности:

назначают расчетную нагрузку и определяют ее параметры: Q_paсч, р и D;

для каждой марки автомобилей в составе перспективного движения по паспортным данным устанавливают величину номинальной статической нагрузки на колесо для всех осей транспортного средства Q_n;

умножив полученные значения Q_n и расчетную нагрузку Q_paсч на динамический коэффициент, находят величины номинальных динамических нагрузок Q_дn от колеса для каждой оси и величину расчетной динамической нагрузки Q_д.paсч;

по формуле (12.2) вычисляют коэффициент приведения номинальной нагрузки от колеса каждой из осей S_n, к расчетной;

по формуле (12.1) вычисляют суммарный коэффициент приведения нагрузки от рассматриваемого типа автомобиля к расчетной нагрузке.

Допускается приближенно принимать суммарный коэффициент приведения S_Tсyм к расчетной нагрузке группы А₁ по данным табл. 12.6.

Таблица 12.6.

Коэффициенты приведения к расчетной нагрузке

Типы автомобилей	Коэффициент приведения к расчетной нагрузке, STсyм (100 кН)
Легкие грузовые автомобили грузоподъемностью 1-2 т	0,005
Средние грузовые автомобили грузоподъемностью 2-5 т	0,2
Тяжелые грузовые автомобили грузоподъемностью 5-8 т	0,7
Очень тяжелые грузовые автомобили грузоподъемностью более 8 т	1,25
Автобусы	0,7
Тягачи с прицепами	1.5

Расчет дорожных одежд на перегонных участках ведут на кратковременное (динамическое) и многократное действие подвижной нагрузки. Продолжительность действия нагрузки для средних условий, современных скоростей автомобиля и размеров отпечатка колеса принимают равной 0,1 с. В этом случае значения модуля упругости и прочностных характеристик материалов и грунта также соответствуют длительности действия нагрузки 0,1 с.

На стоянках дорожную одежду рассчитывают на длительное однократное нагружение.

В случае длительного действия нагрузки в расчет принимают значения модулей упругости материалов и грунтов и их прочностные характеристики, соответствующие продолжительности нагружения более 10 мин.

Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки в точке на поверхности конструкции за срок службы определяют по формуле:

где (12.3)

п - число марок автомобилей;

N_im - суточная интенсивность движения автомобилей m-й марки в первый год службы (в обоих направлениях), авт./сут;

f_noл - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним, определяемый по табл. 12.7.

Таблица 12.7.

Значения коэффициента f_noл

Число полос движения	Значение коэффициента fnoл для полосы с номером от обочины
	1,00	-	-
	0,55	-	-
	0,50	0,50	-
	0,35	0,20	-
	0,30	0,20	0.05

Примечание. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в одном направлении. Для расчета обочин принимают f_noл = 0,01.

k_n - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (табл. 12.8);

Таблица 12.8.

Значения коэффициента k_n

Тип дорожной одежды	Значения коэффициента к. при различных категориях дорог
I	II	III	IV	V
Капитальный	1,49	1,49	1,38	1,31	-
Облегченный	-	1,47	1,32	1,26	1,06
Переходный	-	-	1,19	1,16	1,04

Т_рдг - расчетное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции (определяемое по табл. 12.9 и по рис. 12.1);

Т_сл - расчетный срок службы (табл. 12.10);

Таблица 12.9.

Рекомендуемые значения Т_рдг в зависимости от местоположения дороги

Номера районов на карте	Примерные географические границы районов	Рекомендуемое количество расчетных дней* в году (Трдг)
	Зона распространения вечномерзлых грунтов севернее семидесятой параллели
	Севернее линии, соединяющей Онегу-Архангельск-Мезень-Нарьян-Мар - шестидесятый меридиан - до побережья Европейской части
	Севернее линии, соединяющей Минск-Смоленск-Калугу-Рязань-Саранск - сорок восьмой меридиан - до линии, соединяющей Онегу- Архангельск-Мезень-Нарьян-Мар
	Севернее линии, соединяющей Львов-Киев-Белгород-Воронеж-Саратов-Самару-Оренбург - шестидесятый меридиан до линии районов 2 и 3
	Севернее линии, соединяющей Ростов-на-Дону-Элисту-Астрахань до линии Львов-Киев-Белгород-Воронеж-Саратов-Самара
	Южнее линии Ростов-на-Дону-Элиста-Астрахань для Европейской части, южнее сорок шестой параллели для остальных территорий
	Восточная и Западная Сибирь, Дальний Восток (кроме Хабаровского и Приморского краев, Камчатской области), ограниченные с севера семидесятой параллелью, с юга сорок шестой параллелью	130-150 (меньшие значения для центральной части)
	Хабаровский и Приморский края. Камчатская область

Примечание. Значения величины Т_рдг на границах районов следует принимать по наибольшему из значений.

Рис. 12.1. Карта районирования по количеству расчетных дней в году, Т_рдг

Таблица 12.10.

Рекомендуемый расчетный срок службы конструкции

Категория дороги	Тип дорожной одежды	Срок службы в дорожно-климатических зонах Тсл, лет
I, II	III	IV, V
I	Капитальный	14-15-18	15-19	16-20
II	Капитальный	11-15	12-16	13-16
III	Капитальный	11-15	12-16	13-16
IV	Облегченный	10-13	11-14	12-15
Капитальный	11-15	12-16	13-16
V	Облегченный	8-10	9-11	10-12
Облегченные переходный	3-8	3-9	3-9

Примечание. Значение коэффициента суммирования (при отсутствии других данных) следует принимать по табл. 12.11.

К_с - коэффициент суммирования (табл. 12.11) определяют по формуле:

q - показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам.

Таблица 12.11.

Рекомендуемые значения коэффициента суммирования К_с

Показатель изменения интенсивности движения по годам, q	Значение Кс при сроке службы дорожной одежды Тcл, в годах
0,90	5,7	6,5	7,9	8,8
0,92	6,1	7,1	8,9	10,1
0,94	6,5	7,7	10,0	11,8
0,96	7,0	8,4	11,4	13,9
0,98	7,5	9,1	13,1	16,6
1,00	8,0	10,0	15,0	20,0
1,02	8,6	10,9	17,2	24,4
1,04	9,2	12,0	20,0	29,8
1,06	9,9	13,2	23,2	36,0
1,08	10,6	14.5	27,2	45,8
1,10	11,4	15,9	31,7	67,3

Расчетным считается день, в течение которого сочетание состояния грунта земляного полотна по влажности и температуре асфальтобетонных слоев конструкции обеспечивают возможность накопления остаточной деформации в грунте земляного полотна или малосвязных слоях дорожной одежды.

При отсутствии региональных норм расчетный срок службы дорожной одежды допускается назначать в соответствии с рекомендациями табл. 12.10.

Дата добавления: 2015-06-04