Расчёт и прогнозирование глубины колеи и динамики её развития

Методика расчёта и прогнозирования глубины колеи разработана на кафедре строительства и эксплуатации дорог МАДИ (ГТУ) проф. А.П. Васильевым, проф. Ю.М. Яковлевым и канд. техн. наук СВ. Луговым.

Процесс образования колеи связан с накоплением остаточных деформаций в грунте земляного полотна, слоях основания и покрытия, а также со структурным разрушением каменного материала. Чтобы определить общую глубину колеи на поверхности покрытия по полосам наката, необходимо знать величину остаточных деформаций, накопившихся в активной зоне земляного полотна, в слоях основания и покрытия, а также учесть высоту гребней выпора.

Накопление остаточных деформаций в грунте обусловлено большим количеством факторов, в числе которых наиболее существенную роль играют вид грунта, его консистенция, а также суммарное число приложений нагрузки и общая жесткость вышележащих слоев дорожной одежды (Васильев А.П. Проблемы разработки методов прогнозирования глубины колеи на автомобильных дорогах // Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог в начале XXI века. - М., 2000. - С. 4-32. - (Сб. науч. тр./ МАДИ (ТУ).

Вычисление ожидаемого суммарного числа приложений расчетных нагрузок по годам эксплуатации дороги N_pct производят по формуле:

где (18.2)

N_{p 1} - суточная интенсивность движения автомобилей на полосу, приведённых к расчётной нагрузке (100 кН на ось) в первый год службы дорожной одежды, авт/сут;

q - показатель изменения интенсивности движения по годам;

t - год, на который прогнозируют глубину колеи;

Т_pcг - расчётное количество дней в году, соответствующее определённому состоянию дорожной одежды (для грунта земляного полотна по табл. п 6.1 [72]);

К_пу - коэффициент поперечной установки автомобиля, учитывающий неточное попадание последовательно движущихся автомобилей в один след, К_пу = 0,6-0,7.

Вычисление остаточной осадки земляного полотна h_ЗПt за срок службы производят по формуле:

h_ЗПt = h_ГРt · К_Е · K_hа, м, где (18.3)

h_ГРt - исходная остаточная осадка грунта земляного полотна под дорожной одеждой, определяемая по графику (рис. 18.4), который построен для Е_Д / Е_Г = 30, h / D = 2 (Е_Д - средневзвешенный модуль упругости дорожной одежды, МПа; Е_Г - модуль упругости грунта, МПа; h - общая толщина слоев дорожной одежды, м; D - диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса расчётного автомобиля, равный 0,37 м);

(18.4)

п - число слоев в дорожной одежде;

Е_i и h_i - модуль упругости материала и толщина i -того слоя;

К_Е - коэффициент, учитывающий поправку на фактическое соотношение Е_Д / Е_Г, определяемый по табл. 18.1 (при Е_Д / Е_Г =30, принятом при построении графика на рис. 18.4- К_Е = 1,0);

K_hа - коэффициент, учитывающий поправку на фактическую относительную толщину дорожной одежды h/D, определяемый по табл. 18.2 (при h / D = 2, принятом при построении графика на рис. 18.4 - K_hа = 1,0).

Основной причиной накопления остаточных деформаций в слоях основания, не содержащих битум, является одновременное (совместное) воздействие на материал транспортной нагрузки и природно-климатических факторов. С течением времени каменный материал разрушается (измельчается) и дорожная одежда теряет свою первоначальную прочность и жесткость, начинают преобладать пластические деформации. В песчаных слоях при многократно повторяющихся нагрузках также происходит накопление деформаций вследствие сдвиговых явлений.

Таблица 18.1

Значения коэффициента К_Е

ЕД / ЕГ
КЕ	2,0	1,65	1,5	1,35	1,25	1,17	1,08	1,04	1,02	1,0	0,95	0,92

Примечание. Для промежуточных значений Е_Д / Е_Г величину К_Е определять способом линейной интерполяции.

Таблица 18.2

Значения коэффициента K_hа при различных h / D

h / D	0,75	0,8	1,0	1,15	1,25	1,5	1,75	2,0	2,25	2,6	3,25
Khа	2,3	2,05	1,5	1,33	1,25	1,13	1,04	1,0	0,96	0,94	0,90

Примечание. Для промежуточных значений h / D величину K_hа определять способом линейной интерполяции.

Рис. 18.4. График для определения исходной остаточной деформации в грунте: цифры на кривых - угол внутреннего трения грунта, зависящий от его влажности, град.

Экспериментально установлено, что накопление остаточных деформаций в слоях основания в значительной степени зависит от величины остаточной деформации, накопленной в активной зоне грунта земляного полотна.

Абсолютная остаточная деформация слоя основания из щебня, гравия, песчано-гравийной смеси может быть определена по эмпирической зависимости

где (18.5)

а и b - эмпирические показатели, зависящие от толщины слоя (табл. 18.3);

Е_М - модуль упругости материала слоя, МПа.

Таблица 18.3

Показатель	Величины показателей а и b в зависимости от толщины слоя (толщина слоя в метрах)
0,1	0,15	0,2	0.25	0,3
а	-0,025	-0,033	-0,037	-0,039	-0,043
b	0.3	0,5	0.7	0,85	1,0

Примечание. Для промежуточных толщин следует применять линейную интерполяцию.

Для слоев основания, укреплённых неорганическим вяжущим, и песчаных слоев следует использовать выражение

где (18.6)

с и d - эмпирические показатели, зависящие от толщины слоя и материала слоя (табл. 18.4).

Таблица 18.4

Показатель	Величины показателей с и d в зависимости от толщины песчаного слоя, м	Величины показателей с и d в зависимости от толщины укреплённого слоя
0,15	0,2	0,25	0,3	0,4	0,5	0,15	0,2	0,25	0,3
с	1,1	0,88	0,97	1,2	1,19	0,87	0,69	0,53	0,47	0,49
d	-1,6	-1,14	-1,1	-1,22	-1,04	-0,7	-1,0	-0,66	-0,47	-0,39

Примечание. Для промежуточных толщин с и d надо округлять до ближайшего значения.

Величину пластической деформации в битумосодержащих слоях можно вычислить по видоизменённой формуле, полученной на основе исследований A.M. Богуславского (Богуславский A.M., Богуславский Л.А. Основы реологии асфальтобетона / Под ред. проф. Н.Н. Иванова. - М., 1972. - 200 с), учитывающей изменения напряжений и расчётной вязкости по толщине слоя:

где (18.7)

М - число расчётных слоев;

К_вып - коэффициент, учитывающий выпор по краям колеи (К_вып = 1,0-1,3);

N_pct - суммарное число приложений расчётной нагрузки, вычисленное по формуле (18.2) при T_pcг, назначенном по табл. 18.5, в зависимости от среднегодовой положительной температуры воздуха (см. формулу (18.8));

t_ц - длительность одного приложения транспортной нагрузки в пределах следа колеса (t_ц = 0,015-0,03), большие значения для низких категорий и большей доле в транспортном потоке грузовых автомобилей и автобусов, с;

Т (z) - касательное напряжение, ориентировочно определяемое по формуле (18.9), МПа;

h_j - толщина слоя, в пределах которого вязкость существенно не меняется (h_j = 0,02 м);

h_р - расчётная вязкость асфальтобетона при температуре 50°С, полученная путём лабораторных испытаний стандартных образцов (Руденский А.В. Дорожные асфальтобетонные покрытия. - М.: Транспорт, 1992. - 254 с), МПа·с;

К_вj - коэффициент, учитывающий различие между лабораторными испытаниями образца и фактической работой асфальтобетона в покрытии, а также увеличение вязкости по слоям вследствие уменьшения среднесуточной температуры и осреднённые условия старения материала (табл. 18.6).

Среднегодовую положительную температуру воздуха определяют по формуле

где (18.8)

t_cpi - средняя температура i -того месяца (по данным метеостанции или климатического справочника), °С,

n_м - количество месяцев в году с устойчивой положительной температурой;

Таблица 18.5

Приведённое количество дней в году с температурой покрытия +50°С

, °С
Трсг, дни	0,5	1,1	3,5	10,5

Примечание. Промежуточные значения следует определять линейной интерполяцией.

Таблица 18.6

Средние значения коэффициентов увеличения расчётной вязкости по слоям

Глубина расположения слоя, м	0,00- 0,02	0,03-0,05	0,06-0,1
Среднее значение Квj	1,0	3,5	5,0

Т (z) = К_т · Р, где (18.9)

К_т - коэффициент перехода от нормального напряжения к касательному (К_т = 0,1-0,5 - большие значения для верхних расчётных слоев);

Р - давление от колеса расчётного автомобиля, МПа.

Общая глубина колеи (средняя на участке, для которого производится прогноз) может быть выражена зависимостью, учитывающей, что остаточные деформации в различных направлениях (продольное, поперечное) взаимосвязаны, так как являются функциями снижения деформационной устойчивости конструкции:

где (18.10)

К_но - показатель, характеризующий долю неравномерной остаточной деформации, одной из существенных причин которой является неравномерное увлажнение грунта земляного полотна, может быть принят в зависимости от уровня надёжности одежды от 0,12 до 0,17 (большие значения при уровне надёжности 0,98 меньшие при 0,85 и меньше);

m - число слоев основания, не содержащих органическое вяжущее;

К_П - коэффициент перехода от неравномерной остаточной деформации в продольном направлении к глубине колеи, может быть принят 2,56 (Фадеев В.Б. Прогнозирование процесса колееобразования с учетом накопления остаточных деформаций в грунте земляного полотна // Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог в начале XXI века. - М., 2000. - С. 142-149.- (Сб. науч. тр /МАДИ (ГТУ)

D И_t - износ (истирание) покрытия за t лет, м.

Если необходимо располагать данными о максимально возможной глубине колеи на данном участке, то она может быть рассчитана по формуле

где (18.11)

t - коэффициент доверительной вероятности, назначаемый в соответствии с [72] в зависимости от принятого уровня надёжности дорожной одежды;

C_v - коэффициент вариации глубины колеи (C_v = 0,25-0,35 большие значения для дорог низких категорий).

Дата добавления: 2015-06-04