А.А. Ефимкин

2.

1.

1.

3.

2.

1.

Материалы для устройства покрытия.

Верхний слой при традиционной схеме покрытия устраивается из плотных горячих асфальтобетонных смесей либо из щебеночно-мастичных и литых асфальтобетонов.

Несущий слой устраивается из многощебенистых пористых смесей.

Нижний слой – из пористых или высокопористых асфальтобетонных смесей.

В случае экстремального характера распределения жесткостей верхний слой устраивается из литых или щебеночно-мастичных мелкозернистых смесей, несущий – из щебеночно-мастичных крупнозернистых смесей или плотных смесей, нижний слой – из плотных песчаных смесей.

Характеристики и свойства асфальтобетонных смесей должны соответствовать СТБ 1033-04, ТУ «»Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон для устройства дорожных покрытий на городских улицах.

Цементобетонные покрытия устраиваются из тяжелого дорожного цементобетона с аркой не ниже В20 и морозостойкостью не ниже F400.

Для верхних слоев основания применяются щебеночные и песчано-гравийные смеси, обработанные вяжущим, т.е. битумными эмульсиями, битумом, цементом и т.д.

Нижние слои основания и однослойные основания могут устраиваться из щебеночных и песчано-гравийных смесей, из щебня, укрепленного асфальтогранулятом, либо щебень заклиненный песчано-цементной смесью.

Подстилающий слой устраивается из песков.

Материалы, которые содержат вяжущее, называются монолитными, а не имеющие вяжущих, называются дискретными (дисперсными).

Материалы слоев дорожной одежды практически се обладают реологическими свойствами. Особенно это относится к материалам, содержащим битум. Наличие реологических свойств приводит к ситуации, когда прочностные и деформационные показатели непостоянны, а зависят от температуры, времени, действия нагрузок, режимов нагружения.

Различают простые и сложные реологические свойства:

1. упругость, т.е. свойство материалов восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после ликвидации действия нагрузок;

Пружина

2. вязкость – свойство материала оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой с рассеянием энергии;

Поршень

3. пластичность – это свойство резко увеличивать деформацию после превышения определенного напряжения.

ТЕКСТ

Под действием постоянной нагрузки деформируются следующим образом.

t

h₁

1. Область нагружения;

2. Область разгружения.

e_о- условно-мгновенная упругая деформация, ;

e_эл - эластическая деформация (упруго-запаздывающая) непостоянная и разрывается во времени, , ;

e_n- вязко-пластическая деформация, необратима:

, .

Модуль упругости дорожно-строительных материалов величина не постоянная, а является функцией f(t). Чем больше время действия нагрузки, тем меньше модуль упругости. Чем ниже температура, тем больше модуль упругости, т.е. температура тоже влияет. В целом, температура и время взаимоообращающие вещи.

Модуль упругости является деформационный характеристикой материала, кроме модуля упругости в качестве деформационной характеристики используется понятие модуля релаксации . Модуль релаксации учитывает кроме упругой части деформации еще и вязкопластичную часть, т.е. всю деформацию материала.

Кроме деформационных свойств, материал обладает прочностными свойствами, т.е. прочностью.

Прочность – способность материала выдерживать определенный уровень нагрузки без разрушения (разделения на части).

Наличие реологических свойств приводит к сложной зависимости прочности от температуры и времени нагружения. Эта зависимость имеет следующий вид:

R - прочность

t - время

Т - температура

На данной зависимости можно выделить два параметра: максимальную прочность R_c (максимально возможная предельно-структурная прочность) и минимальную прочность R_дл - длительная.

Такая же зависимость наблюдается и для модуля релаксации .

Е_с - максимальный модуль упругости

Е_дл - длительный модуль упругости

Влияние температуры и времени нагружения сказывается на показателях прочности при различных видах напряженного состояния и режимах нагружения:

Дополнительно определяется прочность на сдвиг и на раскол:

Данные показатели зависят не только от времени действия нагрузки, но и вида напряженного состояния.

Дорожно-строительные материалы в своей структуре сочетают свойства дискретных (зернистых) материалов и однородных (монолитных).

Дискретные – щебень, песок, гравий.

Однородные - сталь.

В результате свойства материала (прочность, модуль упругости и др.) определяются как свойствами зернистой части, так и свойствами вяжущего вещества.

В общем случае прочность материала можно представить в виде:

,

где σ - нормальные напряжения в структуре материала по площадке разрушения;

f - угол внутреннего трения материала;

R_с – максимальная структурная прочность;

Е_t – модуль упругости материала при конкретной температуре и времени нагружения;

Е_дл – длительный модуль упругости;

Е_с – максимальный модуль упругости.

В формуле первое слагаемое – составляющая прочности, связанная с зернистой компонентой материала, второе слагаемое – составляющая, связанная с вяжущим веществом.

На практике в отдельных случаях второе слагаемое для простоты заменяют показателем силы внутреннего сцепления.

– закон Кулона,

где С – зависит от температуры Т и времени t действия нагрузки.

Таким образом, для материалов конструктивных слоев дорожных одежд характерен спектр свойств, характеризующих его прочность и деформативность. В целом можно выделить следующие группы свойств:

1) Деформационные, к ним относятся модуль упругости материала , модуль релаксации , коэффициент поперечной деформации (для упругих тел – коэффициент Пуассона);

2) Прочностные, к ним относятся прочность материалов на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг, раскол – R_сж, R_p, R_и, R_сд, R_ск; угол внутреннего трения f – он характеризует влияние зернистой составляющей структуры материала; С – сила внутреннего сцепления, характеризующая влияние вяжущего вещества; R_c – максимальная структурная прочность, являющаяся важнейшей константой материала, R_c также будет различной для различных видов напряженного состояния.

Для правильного расчета дорожной одежды необходимо знать комплекс выше указанных прочностных и деформационных характеристик.

Определение прочностных и деформационных свойств конструкционных материалов на практике является сложной задачей, поскольку как было отмечено, эти свойства не постоянны, зависят от температуры, режима нагружения, микро- и макроструктуры материала.

Обычно деформационные свойства грунтов и других сыпучих материалов определяют по методу вдавливания штампа определенного диаметра. Для этого в образец материала устанавливают штамп диаметром d и погружают силой F, замеряют деформацию l_o, затем нагрузку снимают и фиксируют упругую часть деформации.

Модуль упругости определяют как:

,

где P – удельное давление на штампе, .

Прочностные характеристики в зернистых материалах (f, С) обычно определяют методом плоско-параллельного сдвига. К образцу материала прикладывают нормальную нагрузку Р и определяют сдвигающую силу Т, строят график зависимости.

	a
		tgf

Таким образом получают деформационные характеристики Е и прочностные f, С.

Во всех случаях расчетные характеристики выше указанных материалов определяют при расчетной влажности.

Более сложной задачей является определение расчетных характеристик монолитных материалов, особенно содержащих органическое вяжущее, связано это с наличием реологических свойств и зависимостью характеристик от температуры и времени нагружения.

Модель упругости монолитных материалов можно определить методами статического и динамического нагружения. При статическом методе строят зависимость деформации от времени при постоянном напряжении (см. выше).

		σ=const
	e

,

где К – коэффициент, учитывающий вид напряженного состояния (сжатие, изгиб и т.д.), а также размеры и форму испытываемых образцов.

При методе динамического нагружения используются специальные испытательные машины, обеспечивающие расчетную скорость деформации образца, а также запись диаграммы (нагрузка – деформация). Получают кривую, на кривой находят прямолинейный участок с соответствующие ему σ и e.

		σ
	σА

Для определения прочностных свойств также в основном используют вышеуказанные испытательные машины, строят такую же диаграмму.

Показателю прочности соответствуют максимальный уровень напряжений. Если в дорожной одежде работа материала предусматривается только упругой стадией. То в качестве показателя прочности принимают предел упругости σ_А.

Для определения модуля упругости могут использоваться некоторые методы, основанные на резонансно-акустическом подходе (измерение скорости ультразвука) или измерений сопротивления материала проникновению инденторов (шарики, цилиндры и т.д.).

Во всех случаях измерения прочностных и деформационных характеристик монолитных материалов производят при расчетной температуре Т, расчетном времени нагружения t_p (статический метод) либо расчетной скорости деформации V_д (динамический метод).

В целом, определение свойств монолитных материалов сложная и трудоемкая задача. Требует больших трудозатрат, дорогостоящего оборудования, высокой квалификации специалистов, поэтому на практике прибегают к упрощенным способам определения выше указанных характеристик.

Упрощенная методика отражена в СТБ 1415-2003 «Бетоны на органогидравлических вяжущих. Технические условия» и ТКП 45-3.03-3-2004 «Проектирование дорожной одежды улиц и дорог населенных пунктов».

Испытания проводятся при расчетной температуре t=10,0^оС и скорости деформирования V_o =3мм/мин. Также проводятся испытания при t=15,0^оС и двух скоростях нагружения: 3мм/мин и 10мм/мин. Определяется только прочность, расчетом по формулам определяются R_c и Е_с. Находят расчетом модуль упругости и пределы прочности на изгиб при любой температуре. Кроме выше указанных характеристик для монолитных материалов определяют угол внутреннего трения f и силу внутреннего сцепления С.

Их можно определить с помощью специальных приборов трехосного сжатия, называемых стабилометрами (ориентировочная стоимость 280 тыс. €).

Данные приборы позволяют определить прочность образца Р при боковом сжатии q. В дальнейшем расчетом получают угол внутреннего трения f и силу внутреннего сцепления С. Недостаток – дорого и сложно.

В соответствии с СТБ 1115-2004 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Методы испытаний» угол внутреннего трения f и силу внутреннего сцепления С можно определить путем испытания образцов цилиндров в специальных металлических обоймах, а также при свободном сжатии. Затем расчетом получают f и С.

Используется метод плоско-косого сдвига при сжатии.

Все эти характеристики определяются при расчетной температуре, влажности и времени действия нагрузки.

Расчетное время действия нагрузки t_p зависит от вида транспортного средства, конструкции шины автомобиля, нагрузки на ось и скорости движения.

Колесо автомобиля на покрытии образует отпечаток диаметром D.

,

где V – скорость движения автомобиля.

D=39 – 41см,

V=40км/ч.

Расчетная температура Т назначается для наиболее благоприятной работы материала в конструктивном слое на действие транспортной нагрузки и погодно-климатических факторов.

0, 10, 20, 50^оС

Влажность грунтов назначают в зависимости от условий увлажнения (тип местности), типа земляного полотна (насыпь, выемка), вида грунта, характера климатического района.

Расчетная влажность принимается по таблицам расчетных документов соответственно.

Полученные в лабораторных условиях прочностные и деформационные характеристики при расчетных температурах и условиях нагружения называются нормативными.

Для того, чтобы использовать данные характеристики в расчетах они корректируются путем ввода ряда коэффициентов.

Скорректированные нормативные характеристики называются расчетными.

,

где К₁ – К_n - корректирующие коэффициенты;

R_н – нормативная характеристика.

Корректирующие коэффициенты учитывают неоднородность свойств материала (вариацию). Также коэффициенты учитывают повторность действия нагрузок (усталость), изменение свойств во времени (старение) и т.д. в зависимости от принятой методики расчета может вводиться несколько корректирующих коэффициентов либо не вводится вообще.

ТЕКСТ

Могут учитывать структурную неустойчивость материала, откланение в технологии, влияние повторных воздействий нагрузок, изменение свойств материала во времени и т.д.

Число коэффициентов, методики их определения, зависят от принятой схемы и критериев расчета дорожной одежды.

Отклонение от состава и структуры материала, технологии устройства слоев учитывают путем ввода коэффициента неоднородности.

,

где t – коэффициент нормированного отклонения, принимаемый по статистическим таблицам в зависимости от числа экспериментов и требуемой точности результата при определении нормативных значений;

К_в – коэффициент вариации:

,

где - среднеквадратичное отклонение;

- среднеарифметическое значение.

и получают при оценке нормативных характеристик.

Влияние повторности действия транспортных нагрузок учитывают путем ввода коэффициента усталости. При многократном повторном воздействии транспортных нагрузок в структуре материала происходит накопление повреждаемости, образуются микротрещины, что снижает прочностные показатели и ресурс дорожной одежды.

Зависимость свойств материала от числа нагружений.

Для упрощения расчетов на практике обычно учитывают только 2-ую зону работы материала.

В этом случае коэффициент усталости вычисляют как:

,

где А, m – структурные коэффициенты, учитывающие вид материала и его состав;

N – число нагружений.

Кроме неоднородности и усталости могут учитываться изменение свойств материала во времени (старение), действие погодно-климатических факторов и т.д. если учитывается старение материала, то вводится коэффициент Ks, который > 1.

Таким образом, в результате ввода ряда коэффициентов, учитывающих структурные особенности материала, усталость, неоднородность значение нормативных характеристик корректируется и они принимают меньшие показатели, что идет в запас прочности.

Тема 3 Факторы, влияющие на работу дорожных одежд

1. Влияние погодно-климатических факторов на работу дорожной одежды.

2. Влияние транспортной нагрузки.

2.1. Транспортные нагрузки. Их классификация и характеристики.

2.2. Понятие о расчетном автомобиле. Методика приведения автомобиля к расчетному.

2.3. Особенности напряженного состояния дорожной одежды на действие транспортных нагрузок.

3. Виды деформаций и разрушений дорожной одежды.

Дорожные одежды за время эксплуатации испытывают комплекс воздействий погодно-климатических факторов, которые влияют на структуру материала и свойства материалов конструктивных слоев и как следствие на состояние и работоспособность дорожных одежд.

К погодно-климатическим факторам можно отнести:

1. действие солнечной радиации;

2. влажность воздуха, грунта земляного полотна и дорожной одежды (конструктивных слоев);

3. понижение и повышение температуры воздуха и слоев дорожной одежды;

4. попеременное замораживание и оттаивание воды в порах материалов и грунте земляного полотна;

5. накопление влаги в грунтах, ее промерзание и увеличение в объеме (пучины).

Солнечная радиация обычно усиливает процессы полимеризации и поликонденсации вяжущих материалов. Это приводит к изменению свойств бетонов на их основе (старение). В результате снижается ресурс работы и долговечность материала.

Обычно с этими явлениями борются конструкционными методами, например, путем устройства защитных слоев (поверхностные обработки).

Более сложно влияет влажность и температура, связано это с ее колебаниями в течение года, месяца, суток.

1 – влажность покрытия;

2 – температуры покрытия.

1 – прочность земляного полотна;

2 – прочность покрытия.

Как видно из приведенных данных влажность и температура, а также прочность покрытий и грунтов не совпадает в своих экстремумах в течение года, например, наиболее высокая влажность и соответственно низкая прочность грунтов наблюдается весной, соответственно высокая температура покрытия и самая низкая его прочность летом.

Для более полного учета вышеуказанных особенностей оперируют понятием расчетного периода.

Расчетный период – это временной интервал, в течение которого наблюдается наиболее неблагоприятный режим работы дорожной одежды либо ее отдельных конструктивных слоев.

Продолжительность и сезон назначения расчетного периода зависят от принятых критериев и методик расчета дорожной одежды.

Понижение температуры воздуха ведет к охлаждению материалов конструктивных слоев. При охлаждении материал стремиться к сжатию (сокращению размеров), но в дорожной одежде конструктивные слои представляют собой защемленную ленту и свободное изменение размеров невозможно. Это приводит к появлению температурных напряжений и температурных трещин на покрытии.

Попеременное замораживание и оттаивание воды в порах грунта и слоев ведет к накоплению повреждаемости и деструкции материалов. В результате снижается прочность дорожной одежды, появляются коррозионные деформации (выбоины, ямы и др.).

Появление и развитие пучин ведет к снижению ровности покрытия и потере эксплуатационных качеств дорожной одежды.

Таким образом, дорожная одежда испытывает комплекс воздействий погодно-климатических факторов, которые необходимо учитывать при конструировании и расчете дорожных одежд.

2.1 Транспортные нагрузки

По автомобильным дорогам обращаются транспортные средства различной конструкции, конфигурации, назначения и грузоподъемности, которые приводят к появлению напряжений и деформаций в конструктивных слоях, развитие повреждаемости в структуре и в последующем потери их прочности и несущей способности.

Каждое транспортное средство в виду особенностей его конструкции по разному влияет на напряженное состояние дорожной одежды, поэтому важно знать основные характеристики транспортных средств и их влияние на напряженное состояние.

К основным характеристикам транспортных средств относят:

1. грузоподъемность;

2. количество осей и колес на оси;

3. нагрузки на ось и колесо;

4. параметры и характеристики шин колеса.

Грузоподъемность автомобиль может достигать 60,0 тонн. Количество осей до 8-ми, нагрузка на ось – 13-15 тонн.

Очень важное значение имеет конструкция и характеристика шины автомобиля. При контакте с покрытием особое значение приобретает ширина и длина беговой дорожки шины.

Ширина беговой дорожки В мало зависит от грузоподъемности автомобиля и режима движения и определяется в основном конструкцией шины (В=20…30см).

Длина беговой дорожки L зависит как от конструкции шины, так и от нагрузки Qн. Связано это с тем, что в продольном направлении происходит деформация (смятие шины).

Эта деформация определяется:

,

где а, в – константы шин, которые принимаются по справочнику в зависимости от конструкции;

Q_н – нормативная нагрузка на колесо:

,

Q_о – нагрузка на ось (справочная информация);

n – число колес на оси;

К_д – коэффициент динамичности, равный 1,1 – 1,3, в зависимости от типа и конструкции подвески;

P_w – давление воздуха в шине.

Если тзвестно значение f и В, то можно определить L:

,

где D_ш – наружный диаметр шины,

f – прогиб.

Используя значения В и L можно определить такую важную характеристику как площадь отпечатка следа колеса на покрытии:

Конфигурация отпечатка бывает различной:

В зависимости от формы отпечатка вычисляется площадь.

Зная форму и площадь можно определить такой важный показатель как удельное давление колеса на покрытии (сила на единицу площади).

Удельное давление Р:

,

В целом, эпюра давления на покрытии имеет сложный характер:

1 – статически неподвижное положение;

2 – статически подвижное положение.

Вычисленное по формуле давление является средним.

Учитывая сложный характер отпечатка колеса и характер распределения нагрузки для упрощения построения расчетных схем и выполнения практических расчетов сложный отпечаток (прямоугольник, эллипс) заменяют равновеликим по размерам кругом.

Характеризуется данный круг эквивалентным диаметром D_э.

Данная методика определения F, D и Р принята в некоторых странах Евросоюза. В России, некоторых странах СНГ принята упрощенная методика в соответствии с которой D_э вычисляется по формуле:

В этом случае площадь отпечатка F получают сразу как круг:

, .

Таким образом, основными параметрами, характеризующими влияние транспортного средства на работу дорожного покрытия и дорожной одежды являются:

1) нагрузка на ось колеса расчетного автомобиля Q_о, Q_н;

2) эквивалентный диаметр и площадь круга D_э, F равновеликого отпечатку следа колеса;

3) удельное давление колеса на покрытие P.

На участках разгона и торможения, а также уклонах более 30‰ кроме вертикальной нагрузки Q_н может учитываться горизонтальная сила T_r.

Учет T_r способствует росту D_э и P. В расчетах принимается 0,75.

2.2 Понятие о расчетном автомобиле

В реальных условиях эксплуатации по а/д обращаются различные группы и типы автомобилей (от легковых до многоосных автопоездов). Каждый из этих автомобилей имеет собственные параметры и характеристики и по-разному влияет на работоспособность и ресурс дорожной одежды.

Такая ситуация существенно усложняет учет транспортного потока при назначении конструкции и выполнении расчетов дорожной одежды. Для упрощения практических расчетов введено понятие расчетного автомобиля (расчетной нагрузки). Расчетный автомобиль – это виртуальный автомобиль, имеющий одну ось и два колеса на оси.

Характеризуется расчетный автомобиль нагрузкой на ось Q_о, нагрузкой на колесо Q_н и эквивалентным диаметром отпечатка D_э и удельным давлением.

В разных странах приняты различные параметры и характеристики расчетных автомобилей. В Республике Беларусь, России и большинстве стран Европы приняты три вида расчетных нагрузок А₁, А₂, А₃. ее параметры представлены в табличной форме:

Группа расчетной нагрузки	Нормативная статическая нагрузка на поверхность покрытия от колеса расчетного автомобиля, Qо., кН	Расчетные параметры нагрузки
р,, МПа	D, см
А1	10,0	0,60	33
А2	11,5	0,60	37
А3	13,0	0,60	39
Примечание: В числителе – для неподвижного колеса, в знаменателе – для подвижного колеса.

Для городских дорог принята нагрузка А₂, но р =0,8МПа.

Для приведения реального потока транспортных средств к расчетной нагрузке используют коэффициенты приведения.

Коэффициент приведения S_i – отношение степени снижения ресурса и развития повреждаемости дорожной одежды от проезда реального автомобиля (ψ_ф) и расчетного автомобиля (ψ_р).

В большинстве стран пока коэффициент приведения рассчитывается по методике, разработанной специалистами AASHO (Американская ассоциация дорожных специалистов) в 1966г.

где Q_ф – нагрузка на ось или колесо реального транспортного средства;

Q_р – тоже расчетного автомобиля;

β – коэффициент, зависящий от конструкции дорожной одежды:

β =4,4 – капитальный тип дорожной одежды,

β =5,5 – облегченный тип дорожной одежды.

Данная методика имеет недостаток, поскольку не учитывает отпечаток колеса, современных конструкций шин, влияние соседних колес и осей друг на друга, поэтому в ряде стран (Франция, Англия) используется более сложный подход.

где с – эмпирический параметр, равный

D_i, Q_i – эквивалентный диаметр и нагрузка на ось или колесо реального автомобиля;

D_р, Q_р – тоже расчетного автомобиля;

К_в – коэффициент, учитывающий влияние соседних колес и осей друг на друга.

При расчетах устойчивости дорожной одежды пластическим деформациям коэффициенты приведения определяют как:

где τ_ф и l_ф – максимальное значение касательных напряжений и вертикальная деформация при движении реального автомобиля;

τ_ф и l_ф – тоже расчетного автомобиля;

β – коэффициент, учитывающий тип дорожной одежды.

Поскольку реальные транспортные средства имеют не одну, а несколько осей, то коэффициент приведения определяют для каждой оси, а общий вычисляют путем суммирования.

В настоящее время имеются методики, позволяющие в качестве расчетного принимать реальный автомобиль транспортного потока.

Для выполнения практических расчетов невысоких категорий можно пользоваться укрупненными значениями коэффициентов приведения, которые приведены в таблице, соответствующие определенным ТНПА.

Вид таблицы:

Тип транспортного средства	Коэффициенты приведения
А1	А2	А3
1)Двухосный грузовой автомобиль с нагрузкой на ось 11,5т	Ө	Ө	Ө
2)Трехосный грузовой автомобиль с нагрузкой на тележку 20т	Ө	Ө	Ө

При разработке проекта дорожной одежды необходимо:

1. Выбрать вид расчетной нагрузки.

2. Реальный транспортный поток разделить на группы автомобилей (легковые, грузовые, трехосные, двухосные, автобусы и др.) и для каждой группы определить интенсивность, процент автомобилей в данной группе в общем потоке.

3. Вычисляется или принимается по таблицам коэффициент приведения для каждой группы автомобилей.

4. Вычисляется суммарный коэффициент приведения для всего транспортного потока.

Задача: определить интенсивность движения расчетного автомобиля.

Исходные данные: состав транспортного потока, категория дороги.

№п/п	Тип автомобиля	% в потоке
	Грузовые с грузоподъемностью 5-8т
	Двухосные грузовые автомобили с нагрузкой 11,5т
	Трехосные грузовые автомобили с нагрузкой 20т

Используя таблицы назначаем коэффициенты приведения для принятого вида расчетной нагрузки (в зависимости от категории автомобильной дороги и состава транспортного потока назначаются А₁, А₂, А₃). Подсчитываем суммарный коэффициент приведения:

,

где S₁ - S₃ – коэффициенты приведения для определенного вида автомобилей.

,

где N_p – интенсивность движения реального автомобиля в физических единицах.

2.3 Влияние параметров транспортной нагрузки на состояние дорожной одежды

При движении автомобиля в конструктивных слоях дорожной одежды возникают сложные напряженно-деформированные состояния. В каждой точке данное состояние описывается полным тензором напряжений.

где – сжимающие напряжения, действующие по осям соответственно x, y, z;

– растягивающие напряжения, действующие по тем же осям;

– касательные напряжения (сдвигающие), действующие в соответствующих плоскостях.

Данные напряжения вызывают появление деформаций в соответствующих направлениях.

Сжимающие напряжения убывают по толщине дорожной одежды.

Чем больше эквивалентный диаметр отпечатка колеса, тем меньше напряжение в покрытии, но в основании в грунте они возрастают. Скорость затухания при этом меньше.

При увеличении удельного давления р возрастает напряжении в покрытии и в меньшей степени в основании в грунте.

Таким образом, уменьшение диаметра отпечатков и рост давления р вызывает повышение нагрузки на материал покрытия и в меньшей степени на грунт земляного полотна и основание.

Касательные напряжения имеют максимум на глубине 3-6см и быстро гаснут в основании.

Чем больше эквивалентный диаметр D и давление p меньше, тем меньше напряжение в покрытии и больше в основании.

Растягивающие напряжения возникают в монолитных слоях (несвязные слои не могут воспринимать растягивающие напряжения).

Растягивающие напряжения возникают либо в верхней, либо в нижней части слоев.

Чем меньше эквивалентный диаметр D и давление p больше, тем будут больше растягивающие напряжения.

В конструктивных слоях напряжения распределяются пропорционально жесткости (модуля упругости). Чем больше жесткость слоя, тем выше в нем напряжения.

1: характерно E₁<E₂, E₁>E₃(E₄)

2: E₁>E₂>E₃>E₄

Деформации возникают по всем координатным осям, пропорционально уровню напряжения.

Наибольший интерес представляют вертикальные деформации (по оси Z).

Вертикальную деформацию называют прогиб и обозначается l.

Деформация l складывается из двух частей:

l=l_у+ l_{о ,}

где l_у – упругая часть деформации, которая полностью восстанавливается после проезда;

l_о – остаточная часть (вязко-пластическая); она накапливается в слоях дорожной одежды с каждым проездом.

Если l_о=0, то говорят о работе дорожной одежды и ее слоев только в упругой стадии.

Если l_о≠0, то дорожная одежда работает в упруго-вязко-пластичной стадии.

3. Деформация и разрушение дорожных одежд. Причины их появления

При несоответствии конструкции дорожной одежды, свойств материалов слоев условиям движения транспортного потока и действия погодно-климатических факторов в процессе эксплуатации могут развиваться различные виды деформаций и разрушений дорожной одежды и потеря ее потребительских свойств.

Основными видами деформаций и разрушений дорожных одежд являются:

1) потеря ровности дорожного покрытия, приводящая к снижению расчетной скорости движения и пропускной способности.

Ровность – это интегральная характеристика, т.е. она отражает в комплексе накопление различных видов деформаций и разрушений в конструктивных слоях дорожных одежды и грунте земляного полотна.

2) силовые деформации и разрушения. К данному виду относятся: проломы, просадки, силовые трещины.

Проломы – это крупные вертикальные смещения дорожного покрытия с полным его разрушением.

Просадки – крупные вертикальные смещения дорожного покрытия без его разрушения.

Силовые трещины – крупные поперечные либо продольные трещины с вертикальным смещением краев.

Данные деформации и разрушения возникают в период потери прочности грунта земляного полотна при его переувлажнении, оттаивании. Возникают быстро в течение 1-2 суток.

Основная причина – несоответствие конструкции дорожной одежды транспортному потоку.

3) усталостные деформации монолитных слоев, проявляющиеся в виде сетки трещин либо мелких трещин по полосам наката.

Причина – несоответствие усталостных свойств материала слоя растягивающим напряжениям или под транспортной нагрузкой. Развиваются медленно, в течение ряда лет эксплуатации.

4) температурные трещины монолитных материалов.

Температурные трещины – это крупные трещины, пересекающие все покрытие с шагом 2 – 50м. при этом сохраняется положение покрытия.

Основная причина – действие погодно-климатических факторов (охлаждение) при недостаточной релаксационной (деформационной) способностью материала слоя.

При охлаждении покрытия в осенне-зимний период в нем возникают температурные деформации:

где – коэффициент линейного температурного расширения материала слоя;

– коэффициент поперечной деформации материала в слое;

– перепад температур в сторону охлаждения ();

Т₁ – температура на ……… начала охлаждения;

Т₂ – расчетная низкая температура.

Поскольку слои дорожной одежды представлены защемленной бесконечной лентой, данная деформация не может быть реализована. Это приводит к появлению температурных расширений.

Температурные напряжения:

где Е_t – модуль релаксации материала слоя.

Если , то появиться температурная трещина, – прочность на растяжение.

5) пластические деформации дорожных одежд и ее слоев. Пластические деформации появляются при работе материала в упруго-вязко-пластической стадии, т.е. .

Причиной появления является несоответствие прочности материала (особенно сдвигу), величине напряжений от транспортной нагрузки. Данные деформации наблюдаются в основном в летний период (падает прочность материала, содержащего органическое вяжущее).

Неустойчивость материала покрытия к пластическим деформациям проявляется в виде колеи, гребенки, наплывов и т.д.

При недостаточной устойчивости слоев основания и грунта появляются неровности в продольном и поперечном направлениях. Причина появления – повышение транспортной нагрузки.

6) коррозионные деформации. К коррозионным деформациям относятся: шелушение дорожного покрытия, выкрашивание, ямочность, выбоины.

Основная причина появления – воздействие погодно-климатических факторов (в основном воды и попеременного замораживания-оттаивания).

При недостаточной устойчивости материала действию выше указанных факторов (высокая пористость материала, недостаточное сцепление вяжущего с каменным материалом).

7) деформации, связанные с изменением объема грунта при его избыточном уплотнении и замораживании-оттаивании.

Это приводит к появлению пучин.

4. Учет надежности при конструировании и расчете дорожных одежд

Дорожные одежды как любые другие конструкции рассчитываются на прочность с определенным уровнем надежности. Под прочностью понимается способность материала или конструкции выдерживать определенный уровень нагрузки без разрушения (разделения на части).

Условия прочности обычно имеют вид:

где – напряжение, возникающее в материале от транспортной нагрузки либо погодно-климатических факторов;

– нормативная прочность материала на действие вышеуказанных напряжений, определяемая в лаборатории;

– коэффициент условия работы (см. выше).

Однако выполнение расчетов на прочность часто оказывается недостаточным для гарантированной работы конструкции в течение расчетного срока службы. Обусловлено это двумя причинами: недостаточной точностью выполняемых расчетов (незнанием) и недостаточный учет влияния всех факторов, которые испытывает конструкция в процессе эксплуатации.

Устранить указанные недостатки и предназначена теория надежности.

Надежность – способность материала и конструкции сохранять требуемые эксплуатационные (потребительские) свойства в течение расчетного срока службы.

Количественно надежность оценивается уровнем надежности.

Уровень надежности – это вероятность отказа (выхода из строя) материала или конструкции ранее запланированного срока.

Применительно к дорожной одежде – это превышение количества дефектов над нормативным либо неудовлетворительная ровность отдельных участков дороги.

Уровень надежности обозначается р и его цифровое значение составляет (0…1).

Различают физический и математический уровни надежности. С физической точки зрения уровень надежности равен:

,

где F_p – площадь дорожной одежды, имеющая разрушения и недопускаемые деформации на конец срока службы;

F_о – общая площадь дорожной одежды.

С математической точки зрения уровень надежности представляет собой:

,

где [P] – допустимое значение параметра, по которому ведется расчет на прочность (модуль упругости, прочность на растяжение и т.д.);

P_max – максимальное значение параметров, встречающихся на практике;

P_E – функция распределения рассматриваемого параметра.

Функция распределения зависит от частоты параметра, от его значения. Функция может быть получена теоретически либо экспериментально.

При теоретическом подходе P_E назначается в виде кривой вероятности, например Гаусса, Гейгера и т.д.

При экспериментальном подходе кривую строят по экспериментальным точкам. Для этого производят испытания конструкции, например, для дорожной одежды определяют ее модуль упругости, строят статистический ряд Е₁, Е₂, Е₃, Е₄,… Е_n. Определяют частоту (т.е. сколько раз повторяется то или иное значение), строят график.

На практике надежность и уровень надежности реализуются через коэффициенты запаса прочности. При расчетах на прочность вводимые коэффициенты запаса зависят от уровня надежности.

Коэффициент запаса прочности:

где R_iф – фактические свойства материалов или конструкций, ответственные за появление тех или иных деформаций и разрушений;

R_iтр – требуемые свойства материалов по критерию прочности.

Для того чтобы пользоваться понятием коэффициент запаса прочности необходимо установить их связь с уровнем надежности. данная связь устанавливается теоретическим, экспериментальным и экспериментально-теоретическим способами. Получим зависимость следующего вида:

На практике учет уровня надежности при проектировании дорожных одежд осуществляется следующим образом:

1) в зависимости от категории дороги, вида расчетной нагрузки, типа дорожной одежды назначаются уровни надежности, требуемые заказчиком, материала покрытия;

2) используя графики или таблицы для принятых уровней надежности назначают коэффициенты запаса прочности (могут быть назначены по каждому критерию прочности);

3) производят расчет конструкции на прочность, при этом условие прочности примет вид:

.

В РБ для загородных дорог назначаются уровни надежности и коэффициенты запаса прочности по таблицам.

Показатель	Категория
I
А1	А2	А3
Заданный коэффициент надежности Кн	٭	٭	٭
Требуемый коэффициент прочности Кпр^тр по критерию:	–упругого прогиба	٭	٭	٭
–сдвигоустойчивости неукрепленных слоев	٭	٭	٭

– для городских улиц – коэффициент ……

Уровень надежности покрытия необходимо обеспечить подрядчику при подборе состава материала для устройства конструктивных слоев покрытия.

Раздел 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Тема 1 Основные принципы конструирования нежестких дорожных одежд

1. Понятие об эквивалентных слоях.

2. Методика выбора материалов для устройства конструктивных слоев.

3. Основные принципы конструирования нежестких дорожных одежд.

Дорожная одежда – это конструкция, состоящая из слоев различных материалов с разными свойствами.

Такая ситуация существенно усложняет выполнение практических расчетов (особенно при ручном счете). Для упрощения используются понятия об эквивалентных системах или слоях.

Представим полупространство толщиной 2 м.

l₁ < l_o

Для упругой среды lo:

,

где Р – удельное давление от колеса на единицу площади;

D – эквивалентный диаметр;

μ – коэффициент Пуассона.

Имеем материал с модулем упругости Е_э, но однородный.

.

Таким образом, используя данный подход, можно заменить двухслойную систему на однослойную. Слой из однородного материала с модулем Еэ называется эквивалентным слоем двухслойной системы.

Для практических расчетов разрабатываются формулы и номограммы, связывающие двухслойную систему и эквивалентные ей однослойные системы.

Номограмма учитывающая свойства и толщину слоев связывает параметры Е₁, h, Еэ, D, Ео.

Используя понятие об эквивалентных слоях можно любую многослойную конструкцию привести к однослойной или к двухслойной, что существенно упрощает практические расчеты.

– из графика => К₃

Конструктивные слои дорожной одежды (покрытие, основание и др.) могут устраиваться из различных материалов. Обычно материалы назначают на стадии конструирования, но при большом выборе материала для упрощения расчетов могут использоваться некоторые упрощенные методики. Одна из этих методик основана на оценке стоимости равнопрочных слоев. Под равнопрочными понимаются слои из разных материалов, разной толщины, уложенные на одинаковое полупространство и имеющие одинаковый эквивалентный модуль упругости.

Методика выбора материалов

Для каждого из имеющихся в наличии материалов определяют в лаборатории либо назначают по таблицам модули упругости Е₁, Е₂, Е₃, Е_min (наименьший модуль упругости из рассматриваемого ряда материалов).

Задаются произвольно значением Е_о и Е_э.

,

.

Составляются расчетные схемы и используя номограммы находим толщины слоев h₁, h₂, h₃.

Вычисляем стоимость каждого слоя и принимаем окончательно материал с меньшей стоимостью.

Пример.

1. Щебень рядовой Е₁ =400МПа, С₁ =5000руб/см

Дата добавления: 2014-01-05