Расчет дорожных одежд на прочность

Основные положения

3.1. Задача расчета - определение толщины слоев одежды в вариантах, намеченных при конструировании, или выбор материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

3.2. Расчет дорожной одежды на прочность основан на следующих предпосылках:

а) зависимость деформации от напряжения для дорожно-строительных материалов и грунтов при расчетных нагрузках, показателях влажности, плотности и температуры является линейной;

б) напряженно-деформированное состояние дорожной одежды под действием местной нагрузки (осесимметричной подвижной или статической) определяется решениями теории упругости для слоистого (двухслойного и трехслойного) полупространств с учетом условий сопряжения слоев на контактах;

в) влияние продолжительности и повторности действия нагрузок от движущихся автомобилей на напряженно-деформированное состояние дорожных одежд учитывается путем введения и расчет характеристик упруговязких и усталостных свойств материалов и грунтов в зависимости от особенностей работы различных частей дороги - перегонов, перекрестков, остановок и стоянок автомобилей, обочин, остановок городских общественных транспортных средств;

г) силы инерции, действующие на одежду и земляное полотно в процессе деформирования, весьма малы и расчетом не учитываются (задача квазистатическая);

д) предельное состояние дорожной одежды характеризуется показателями, зависящими от свойств материала каждого слоя одежды и грунта земляного полотна, а также от их размещения и условий работы в конструкции;

е) за расчетные принимают наиболее тяжелые автомобили, которые систематически обращаются по дороге в неблагоприятный период года;

ж) интенсивность движения учитывается при установлении допускаемых значении прочностных характеристик материалов и грунтов и упругого прогиба конструкции в целом.

3.3. Реальные многослойные дорожные конструкции приводятся к двухслойным и трехслойным моделям с помощью методов, изложенных и п. 3.33, 3.39, 3.42. При расчетах на ЭВМ могут быть использованы более сложные методы приведения, если они дают более близкие к решениям теории упругости для многослойных систем результаты в оценке напряженно-деформированного состояния (с учетом условий сопряжения слоев).

3.4. Дорожные одежды на перегонах дорог нужно рассчитывать на кратковременное многократное действие подвижных нагрузок. Продолжительность действия нагрузок при современных скоростях движения грузовых автомобилей необходимо принимать равной 0,1 с; и этом случае и расчет принимаются значения модуля упругости и прочностных характеристик материалов и грунта, определенные тоже при продолжительности действия нагрузки 0,1 с.

3.5. Одежды на остановках автобусов и троллейбусов, перекрестках дорог, на подходах к пересечениям с железнодорожными и трамвайными путями и т.д. нужно рассчитывать на многократное кратковременное действие нагрузки, а также на продолжительное однократное нагружение. При расчете одежды на длительное действие нагрузки используются значения модуля упругости материалов и грунтов и их прочностные характеристики, определенные при продолжительности нагружения не менее 10 мин.

3.6. Одежды на стоянках автомобилей и обочинах дорог следует рассчитывать на продолжительное нагружение (более 10 мин). Ввиду малой повторности воздействия нагрузок здесь можно вести расчет на единичное нагружение.

3.7. При расчете на прочность дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием следует учитывать особенности поведения его и эксплуатации в зависимости от температуры. В то время, как покрытие наиболее напряженно работает при низких положительных температурах, грунт земляного полотна и слои одежды из слабосвязных материалов испытывают большие напряжения при повышенных весенних температурах, когда модуль упругости асфальтобетона существенно снижается. Поэтому при расчете собственно асфальтобетонного покрытия на растяжение при изгибе характеристики его должны соответствовать низким весенним температурам (см. приложение 3). При расчете же слоев из слабосвязных материалов, а также грунта на сопротивление сдвигу модуль упругости асфальтового бетона покрытия должен соответствовать весенним повышенным температурам (см. приложения 2 и 3).

3.8. Дорожные одежды в местах, перечисленных в п. 3.5 и 3.6, следует рассчитывать на продолжительное статическое воздействие нагрузки по сдвигу в грунте, в слабосвязных материалах слоев, а также в слоях, обработанных органическими вяжущими. Кроме того, необходимо рассчитывать на растяжение при изгибе монолитные слои из материалов, содержащих неорганическое вяжущее.

3.9. 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 в соответствующий ему коэффициент прочности, при котором требуется проведение капитального ремонта ранее срока, установленного девствующими нормами. Количественным показателем служит уровень надежности, представляющий собой отношение протяженности прочных, не требующих капитального ремонта конструкции, к общей протяженности участка с данным значением запаса прочности.

3.10. Установление допустимого уровня надежности проектируемой конструкции к концу периода между капитальными ремонтами - технико-экономическая задача, заключающаяся в определении сравнительной экономической эффективности капитальных вложении с учетом фактора времени, строительных затрат, дорожно-транспортных эксплуатационных расходов, направленных на повышение надежности конструкции. Решать ее в каждом конкретном случае целесообразно на основе сравнения вариантов.

Для основных случаев проектирования допустимый (требуемый) уровень надежности К_н, определяющий минимальное значение коэффициента прочности К_пр, которое дорожная одежда должна иметь к концу срока службы между капитальными ремонтами, нормирован в зависимости от категории дороги, капитальности одежды и типа покрытия (табл. 3.1). Допустимый уровень надежности городских дорог и улиц следует принимать тоже по табл. 3.1 с учетом данных табл. 2.1. При уровне надежности, отличном от указанных значений его в табл. 3.1, минимальный коэффициент К_пр прочности одежды следует принимать по графику (рис. 3.1).

3.11. С учетом уровня надежности конструкции определяют расчетные значения сопротивления растяжению при изгибе асфальтобетона и влажности грунта (см. приложения 2, 3).

Рис. 3.1. Зависимость коэффициента прочности К_пр от уровня надежности К_н

Расчетное значение характеристики

при ; , (3.1)

где - среднее значение характеристики по результатам n испытаний;

t - коэффициент нормированного отклонения от при допустимом уровне надежности (см. п. 3.10) в зависимости от числа лет наблюдений или количества опытов (см. приложение 2, п. 11);

n_м - коэффициент вариации характеристики;

s_м - среднее квадратическое отклонение характеристики.

Таблица 3.1

Тип одежды и покрытия	Категория дороги	Kн	Кпр
Дорожные одежды капитального типа с усовершенствованным покрытием	I, II, IIIп, Ic	0,95	1,0
III, IVн, IIc	0,90	0,94
Одежды облегченного типа с усовершенствованным покрытием	III, IV, IVн, IIc	0,85	0,90
Переходные дорожные одежды	IV, V, IIc, IIIc	0,60	0,63

Знак перед вторым членом в скобках формулы (3.1) должен быть тот, который обеспечивает большую надежность.

Расчетные значения всех остальных прочностных и деформационных характеристик материалов и грунта нужно принимать по приложениям 2 и 3.

3.12. Основа для назначения конструкции и расчета на прочность дорожных одежд - перспективная приведенная интенсивность воздействия нагрузки в период неблагоприятный для работы дорожных одежд. Интенсивность устанавливается при проведении титульных экономических обследований по данным анализа закономерностей изменения интенсивности движения и объемов перевозок по годам.

3.13. Наряду с установлением исходной интенсивности движения и темпа ее роста весьма важно правильное определение перспективного срока П (числа лет), для которого следует определять расчетную интенсивность:

П=Х+У+Z,

где Х - число лет от года окончания титульных экономических обследований района вновь проектируемой дороги или от года последнего учета движения на существующей дороге до начала строительства;

У - число лег от начала строительства до ввода дороги в эксплуатацию;

Z - продолжительность периода между капитальными ремонтами дорожной одежды, установленная региональными нормами в зависимости от категории дороги и степени капитальности конструкции.

Расчетные нагрузки

3.14. Одежды автомобильных дорог и городских улиц нужно рассчитывать с учетом состава и интенсивности перспективного движения, ожидаемого на год службы перед капитальным ремонтом. Срок службы до капитального ремонта необходимо принимать по соответствующим нормативам.

В качестве параметров, характеризующих размер и повторяемость воздействия нагрузок от автомобилей и других транспортных средств на дорожную одежду следует при проектировании ее на воздействие: а) неподвижного транспортного средства пользоваться средним расчетным давлением р (в мегапаскалях) колеса на покрытие, расчетным диаметром D_н (в сантиметрах) круга, равновеликого следу колеса неподвижного автомобиля; б) движущегося транспортного средства пользоваться давлением р (в мегапаскалях), расчетным диаметром D_д (в сантиметрах) следа колеса движущегося автомобиля, а также приведенной расчетной интенсивностью N_p (в единицах в сутки) воздействия нагрузки.

3.15. При расчете на прочность одежд автомобильных дорог I-III категории, скоростных и магистральных городских дорог и улиц, а также других дорог (подъездных и внутренних дорог промышленных, лесозаготовительных и сельскохозяйственных предприятий), по проезжей части которых в наиболее неблагоприятный для работы дорожной одежды период года необходимо предусматривать систематический проезд двухосных автомобилей с наибольшей статической нагрузкой на ось 100 кН, трехосных - 80 кН, автобусов - 110 кН, в качестве расчетной следует принимать нормированную нагрузку для транспортных средств группы А (см. приложение 1, табл. 1).

При проектировании дорог IV и V категорий, городских улиц и дорог местного значения, промышленных, сельскохозяйственных и других дорог, по которым предусматривается проезд главным образом двухосных автомобилей с наибольшей статической нагрузкой на ось 60 кН, трехосных - 50 кН, автобусов - 70 кН, в качестве расчетной следует принимать нормированную нагрузку для транспортных средств группы Б (см. приложение 1, табл. 1).

Если же в наиболее неблагоприятный период года но дорогам IV и V категорий, а также по дорогам сельскохозяйственных и других предприятий предусматривается систематическое движение автомобилей группы А, то в качестве расчетной нужно принимать нормированную нагрузку от колеса наиболее нагруженной оси автомобиля группы А.

3.16. В случае, когда в составе движения проектируемой внутрихозяйственной дороги предусматриваются автомобили или другие транспортные средства с нагрузками на ось, превышающими нормированные для автомобилей группы А или Б, за расчетную следует принимать наибольшую нагрузку, воздействие которой ожидается в наиболее неблагоприятный для работы дорожной одежды период года.

При этом, если предполагается движение транспортных средств с нагрузкой на ось, превышающей нормированную (для группы А или Б) не более, чем на 20 %, а число таких транспортных средств не превышает 5 % от суммарной интенсивности движения грузовых автомобилей и автобусов (троллейбусов), то за расчетную следует принимать нормированную нагрузку (см. приложение 1, табл. 1).

3.17. При проектировании одежд автомобильных дорог, улиц, площадей, автостоянок, площадок для отдыха, подъездных и внутренних дорог промышленных и сельскохозяйственных предприятий и других объектов со специализированным движением могут быть в качестве расчетных приняты (при наличии обоснования) нагрузки от транспортных средств соответствующих марок, систематическая эксплуатация которых предусматривается на рассматриваемом объекте.

Данные о параметрах нагрузок, передаваемых на дорожное покрытие как наиболее распространенными, так и перспективными транспортными средствами, приведены в приложении 1, табл. 2.

3.18. При проектировании промышленных, лесовозных и других специальных дорог, по которым предусматривается движение многоколёсных транспортных средств (специализированные полуприцепы, прицепы-тяжеловозы, контейнеровозы и т.д.), а также для проверки па прочность одежд существующих автомобильных дорог общей сети при единичных проездах таких транспортных средств следует параметры р и D_э расчетной (эквивалентной) нагрузки Q^(э) определять с учетом совместного воздействия колес транспортного средства на напряженно-деформированное состояние дорожной одежды в соответствии с п. 3 приложения 1.

3.19. Одежду всех полос проезжей части автомобильных дорог и городских улиц, а также обочины нужно проектировать на ту же расчетную нагрузку, что и одежду крайней справа полосы проезжей части. В случае строго специализированного движения в разных направлениях (например, дороги карьеров и промышленных предприятий, подъездные пути к строительным объектам), а также в пределах различных полос движения (например, автобусное или троллейбусное движение) могут быть приняты для этих направлений и полос разные расчетные нагрузки.

Дорожную одежду в пределах трамвайных путей, если они расположены на необособленном земляном полотне, необходимо рассчитывать на ту же нагрузку, что и одежду основной проезжей части улицы.

3.20. При расчете на прочность одежд автомобильных дорог и городских улиц следует учитывать перспективную интенсивность движения автомобилей разных марок в двух направлениях, которая приводится к эквивалентной интенсивности воздействия расчетной нагрузки на одну полосу проезжей части в сутки.

Среднесуточное перспективное приведенное к расчетной нагрузке число проездов всех колес (как ведущих, так и ведомых), расположенных по одному борту автомобилей и других транспортных средств, в пределах одной полосы проезжей части является приведенной расчетной интенсивностью Nр (в единицах в сутки) воздействия нагрузки. Причем

, (3.2)

Таблица 3.2

Число полос движения	Значения коэффициента fпол для полосы номер	Число полос движения	Значения коэффициента fпол для полосы номер
	1,00	-	-		0,35	0,20
	0,55	-	-		0,30	0,20	0,05
	0,50	0,50	-

Примечание: 1. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в одном направлении.

2. Для расчета обочин принимается f_пол = 0,01.

3. На многополосных дорогах допускается проектировать одежду переменной толщины по ширине проезжей части, рассчитав дорожную одежду в пределах различных полос в соответствии со значениями N_р найденными по формуле (3.2).

4. На перекрестках и подходах к ним (в местах перестройки потока автомобилей для выполнения левых поворотов и др.) при расчете одежды в пределах всех полос движения нужно принимать f_пол = 0,50, если общее число полос проезжей части проектируемой дороги более трех.

где f_пол - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним (табл. 3.2);

n - общее число различных марок транспортных средств в составе транспортного потока;

N_m - число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m-й марки;

S_mсум - суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства m-й марки к расчетной нагрузке Q_расч.

Если расчетной является нормированная нагрузка от автомобилей группы А или Б и транспортный поток состоит только из серийных транспортных средств, указанных в табл. 2 приложения 1, то коэффициенты приведения S_mсумА или S_mсумБ находят по той же табл. 2 приложения 1.

3.21. Для транспортных средств, не указанных в табл. 2 приложения 1, а также при расчетных нагрузках, отличающихся от нормированных для автомобилей группы А или Б (см. приложение 1, табл. 1), значение суммарного коэффициента приведения

, (3.3)

где n - число осей у данного транспортного средства, для приведения которого определяется коэффициент S_mсум;

S_n - коэффициент приведения эквивалентной нагрузки от колеса n-й оси движущегося транспортного средства к расчетной нагрузке Q_расч, определяемый по графику (см. приложение 1, рис. 1). Коэффициенты S_n определяются для нагрузок менее расчетной, а также для нагрузок, превышающих расчетную не более, чем на 20 %.

При определении коэффициента приведения S_nдля колеса данной п-й оси находят эквивалентную нагрузку (с учетом влияния колес других осей) и ее отношение к расчетной нагрузке Q_расч. В зависимости от этого отношения по графику (см. приложение 1, рис. 1) находят S_n

Эквивалентная нагрузка от колес n-й оси двухосного автомобиля

, (3.4)

где К_дин - коэффициент динамичности, учитывающий повышение нагрузки на покрытие при колебаниях автомобиля и принимаемый равным 1,30;

Q_n - номинальная статическая нагрузка на колесо n-й оси (n = 1; 2). От колес n-й оси трехосного автомобиля нагрузки

, (3.5)

где Q_n - как и в формуле (3.4), номинальная статическая нагрузка на колесо n-й оси (n =1; 2; 3);

g_п-1 - коэффициент, учитывающий влияние колеса оси, идущей впереди n-й, на напряженно-деформированное состояние дорожной одежды под колесом n-й оси;

g_п+1 -коэффициент, учитывающий влияние колеса оси, идущей позади n-й.

Коэффициенты g_п-1, g_п+1 определяются по графикам (см. приложение 1, рис. 2 и 3). Нагрузки для многоколесных транспортных средств (специализированные прицепы, полуприцепы-тяжеловозы и т.д.) находятся - по формуле (1) приложения 1.

Критерии прочности

3.22. Дорожные одежды рассчитывать на прочность следует по трем критериям: а) сопротивление сдвигу в грунтах и слоях из слабосвязных материалов; б) сопротивление растяжению при изгибе монолитных слоев;

в) сопротивление упругому прогибу всей конструкции. Пластические смещения в грунте и слабосвязных материалах не возникнут, если сдвигающие напряжения в них не достигнут местного предельного равновесия по сдвигу. Сплошность монолитных слоев не будет нарушена, если растягивающие напряжения при многократном изгибе не превысят допустимых напряжений для материала данного слоя, установленных с учетом усталостных явлений.

Вся конструкция дорожной одежды под воздействием силовых и природных факторов будет более надежно работать, если упругий прогиб (обобщенная приближенная характеристика) ее не превысит нормированного значения, установленного по результатам испытания и изучения опыта службы дорожных одежд в различных природных условиях и разных условиях движения.

3.23. Допускается не рассчитывать по упругому прогибу дорожные одежды, предназначенные для движения особо тяжелых транспортных средств с нагрузкой на ось, равной или превышающей 120 кН.

3.24. Последовательность расчета по критериям прочности может быть принята любой. Однако методически целесообразно при больших перспективных интенсивностях воздействия нагрузок и малой влажности грунтов (W < 0,7W_т) начинать расчеты по упругому прогибу, а при малых интенсивностях воздействия нагрузок и высокой влажности грунтов - по сдвигу в грунте.

Конструкция дорожной одежды считается прочной, если коэффициент прочности по каждому из критериев больше или ранен К_пр , найденному с учетом требуемого уровня надежности проектируемой одежды (см. рис. 3.1). Конструкции нужно выбирать на: основе экономических сопоставлений нескольких вариантов конструкции, удовлетворяющих условиям прочности. При этом может оказаться, что коэффициент прочности по какому-либо из критериев значительно превышает К_пр. При равных экономических показателях предпочтение должно быть отдано варианту, у которого среднее значение из всех коэффициентов прочности больше.

3.25. Независимо от результатов расчета на прочность минимальная толщина покрытия (с учетом запаса на износ) и других конструктивных слоев одежды в уплотненном состоянии не должна быть менее следующих значений (в сантиметрах):

Асфальтобетон (дегтебетон) крупнозернистый......................................................... 6-7

То же, мелкозернистый................................................................................................. 3-5

" песчаный............................................................................................................... 3-4

" холодный............................................................................................................... 3

Щебеночные (гравийные) материалы, обработанные органическими вяжущими 8

Щебень, обработанный по способу пропитки........................................................... 8

Щебеночные и гравийные материалы, не обработанные вяжущими, на песчаном основании...................................................................................................................... 15

То же, на прочном основании (каменном или из укрепленного грунта)............... 8

Грунты и малопрочные каменные материалы, обработанные органическими, комплексными или неорганическими вяжущими.................................................... 10

Грунт повышенной прочности.................................................................................... 50

Примечания: 1. Большие из значений толщин асфальтобетонных покрытий даны для дорог I-II категории, а меньшие - для дорог III-IV категории.

2. Когда по условиям воздействия нагрузок требуемая общая толщина асфальтобетонных слоев покрытия и основания менее суммы двух минимально-конструктивных толщин, целесообразна замена покрытия и верхнего слоя основания одним слоем покрытия большей, чем указано, толщины, устанавливаемой расчетом.

3. Толщина слоя должна превышать размер наиболее крупных частиц каменных материалов не менее чем в 1,5 раза (кроме слоев, устраиваемых по способу пропитки).

3.26. Если при конструировании дорожной одежды для обеспечения нормальной технологии устройства слоя из крупнозернистого материала на переувлажненном глинистом грунте или одномерном песке предусмотрена защитная прослойка (см. п. 2.39 настоящей Инструкции), то толщину этой прослойки не следует учитывать при расчете конструкции на прочность.

В случае же, когда защитная прослойка из песка, гравий или мелкого щебня предусмотрена против взаимопроникания грунта и материала в процессе эксплуатации дороги, то толщину прослойки, за вычетом 5 см, нужно учитывать в расчете на прочность. Толщину прослойки из грунта, укрепленного вяжущим, при расчете конструкции на прочность необходимо учитывать полностью.

3.27. Для обеспечения работы капитальной дорожной одежды без накопления остаточных деформации необходимо, чтобы ни в одном из слоев и в подстилающем грунте не возникали пластические смещения, не нарушалась сплошность монолитных слоев и прогиб поверхности одежды под расчетной нагрузкой не превосходил допускаемых значений.

Дорожную одежду капитального типа на воздействие подвижной нагрузки следует рассчитывать по всем трем критериям при высоком уровне надежности (см. п. 3.10 и табл. 3.1 настоящей Инструкции).

3.28. Дорожные одежды облегченного типа нужно проектировав с учетом меньшего срока их службы до капитального ремонта по сравнению с капитальными одеждами. Так как, кроме того, применяемые материалы для устройства облегченных одежд обеспечивают сравнительно более простую технологию производства ремонта, то на таких одеждах допускается возникновение незначительных остаточных деформаций (в пределах норм допусков по ровности проезжей части).

Облегченные одежды следует рассчитывать на воздействие подвижных нагрузок тоже по трем критериям, но с уменьшенным допускаемым уровнем надежности по сравнению с капитальными (см. п. 3.10 и табл. 3.1 настоящей Инструкции).

3.29. Одежды с покрытиями переходного типа - щебеночными, гравийными и из других прочных минеральных материалов, а также из грунтов и надстрочных каменных материалов, обработанных вяжущими, мостовые из булыжного и колотого камня следует рассчитывать на воздействие подвижных нагрузок только по двум критериям - сдвигу в грунте и упругому прогибу при соответствующем допускаемом уровне надежности (см. п. 3.10 и табл. 3.1 настоящей Инструкции).