Конструювання та розрахунок дорожнього одягу нежорсткого типу
КОНСТРУЮВАННЯ ТА РОЗРАХУНОК
ДОРОЖНЬОГО ОДЯГУ НЕЖОРСТКОГО ТИПУ
Методичні вказівки
до виконання курсових та дипломних проектів
для студентів спеціальності 7.092103 «Міське будівництво
та господарство» денної та заочної форми навчання
ББК
К64
Укладачі : М.М. Осєтрін, канд. техн. наук, професор
Т.О. Шилова, канд. техн. наук, доцент
П.П. Чередніченко, доцент
Рецензент Є.О. Рейцен, канд. техн. наук, професор
Відповідальний за випуск М.М. Дьомін, доктор архітектури, професор
Затверджено на засіданні кафедри міського будівництва, протокол № 8 від 17 квітня 2012 року.
Конструюваннята розрахунок дорожнього одягу нежорсткого типу:
О-72 методичні вказівки до виконання курсових та дипломних проектів/ Уклад.: М.М. Осєтрін, Т.О. Шилова, П.П. Чередніченко. – К.: КНУБА, 2012. – 60 с.
Розглянуто принципи конструювання та розрахунку дорожнього одягу нежорсткого типу.
Призначено для студентів спеціальності 7.092103 «Міське будівництво та господарство» для виконання курсових та дипломних проектів денної та заочної форми навчання.
Загальні положення
За принципом роботи під навантаженнями та за структурно-механічними особливостями сучасний дорожній одяг може бути поділений на дорожній одяг нежорсткого типу та жорсткий дорожній одяг.
До основних властивостей дорожнього одягу нежорсткого типу належить залежність опору згину (який практично може бути відсутнім) та модуля пружності від температури та вологості. Конструктивні шари дорожнього одягу цього типу складаються з мінеральних матеріалів, укріплених органічними або неорганічними (в малих дозах) в’яжучими, а також з необроблених мінеральних матеріалів.
Жорсткий дорожній одяг (дорожній одяг з цементобетонними покриттями або основами) має один чи декілька конструктивних шарів, опір розтягу та модуль пружності яких практично не залежить від температури та вологості.
В багатошарових конструкціях розрізняють наступні елементи дорожнього одягу:
· покриття – верхня частина одягу, що сприймає зусилля від коліс рухомого складу, визначає основні транспортно-експлуатаційні якості дорожнього одягу та зазнає безпосередній вплив атмосферних чинників. Покриття має бути щільним, міцним, рівним, шорсткуватим, протистояти пластичним деформаціям при високих позитивних температурах, бути тріщиностійким і добре опиратися зношенню, тобто повинно забезпечити необхідні експлуатаційні якості проїзної частини, а в населених пунктах – відповідати санітарно-гігієнічним вимогам. В покритті розрізняють шари зношення, шорсткуваті та захисні шари.
· основа – несуча міцна частина одягу, що разом з покриттям забезпечує перерозподіл і зменшення тиску на розташовані нижче додаткові шари або ґрунт земляного полотна (підстильний ґрунт). Шари основи, які безпосередньо підстеляють удосконалене дорожнє покриття, повинні бути переважно монолітними, зсувостійкими та достатньо добре опиратися розтягуючим напругам при згині. Нижні шари основи влаштовують з менш міцних, але досить морозо- та водостійких матеріалів.
· додаткові шари основи – шари, які влаштовують між основою та підстильним ґрунтом (на ділянці з несприятливими погодно-кліматичними та ґрунтово-гідравлічними умовами). Ці шари разом з покриттям та основою мають забезпечити крім міцності необхідну морозостійкість та дренування конструкції й створювати умови для зменшення товщини шарів з найдорожчих матеріалів. Відповідно до основної функції, яку виконує додатковий шар, його звуть морозозахисним, теплоізолюючим, дренуючим. До додаткових шарів та прошарків відносять також гідро- та пароізолюючі, протизамулюючі та ін. Додаткові шари влаштовують з піску та інших місцевих матеріалів у природному стані та укріплених органічними, мінеральними або комплексними речовинами місцевих ґрунтів, в тому числі пучинних, оброблених в’яжучими матеріалами, з укріплених сумішей з додаванням поруватих заповнювачів.
В населених місцях України найбільш поширеними є асфальтобетонні покриття, тобто дорожній одяг нежорсткого типу. Тому в цих методичних вказівках розглядаються принципи проектування саме таких конструкцій.
Конструювання та розрахунок дорожнього одягу нежорсткого типу
Залежно від строку служби та рівня надійності дорожній одяг нежорсткого типу поділяють на три типи: капітальний, полегшений та перехідний. При виборі типу дорожнього одягу виходять із інтенсивності руху, складу транспортного потоку, вимог безпеки, комфортності руху, природних умов та техніко-економічних розрахунків.
Типи дорожніх одягів нежорсткого типу, основні матеріали покриттів і область їх використання наведені в табл. 1.
Таблиця 1
| Категорія дороги | Класифікація дороги | Конструкція дорожнього одягу нежорсткого типу | |
| Тип | Матеріал покриття | ||
| Іа, Іб, II | Державна магістральна | Капітальний | Асфальтобетон гарячий щільний дрібнозернистий І марки; щебенево-мастиковий асфальтобетон |
| Іб, II, III | Державна регіональна | Капітальний | Асфальтобетон гарячий щільний дрібнозернистий І або II марки; щебенево-мастиковий асфальтобетон |
| II, III | Місцева територіальна | Капітальний | Асфальтобетон гарячий щільний дрібнозернистий І або II марки, тонкошарові органо-мінеральні покриття |
| III | Місцева територіальна | Полегшений | Асфальтобетон гарячий щільний дрібнозернистий II марки; холодний асфальтобетон І марки; тонкошарові органо-мінеральні покриття, кам'яний матеріал, оброблений органічним в'яжучим |
| IV | Місцева районна | Полегшений | Асфальтобетон гарячий дрібно-зернистий II марки; асфальтобетон гарячий пористий або високопористий з поверхневою обробкою; кам'яний матеріал, оброблений в'яжучим методом змішування в установці або методом просочування чи змішування на дорозі |
| IV, V | Місцева районна | Перехідний | Кам'яний матеріал, оброблений органічним в'яжучим в установці або способом просочення; фракційний кам'яний матеріал |
Умовний перехід від категорій автомобільних доріг загальної мережі до категорій міських доріг і вулиць здійснюється за табл.2.
Таблиця 2
| № п/п | Категорія вулиць і доріг | Аналог категорій доріг загальної мережі |
| Магістральні дороги, магістральні вулиці загальноміського значення, дороги вантажного руху | І, ІІ | |
| Магістральні вулиці районного значення | ІІ | |
| Вулиці та дороги місцевого значення, дороги промислових і складських районів | ІІІ | |
| Житлові вулиці та проїзди, селищні вулиці та дороги | ІV, V |
Дорожній одяг нежорсткого типу проектують з урахуванням надійності – ймовірності безвідмовної роботи конструкції протягом наміченого строку експлуатації до капітального ремонту. Кількісним показником надійності є рівень надійності, що являє собою частку довжини (чи площі на смугах накату) ділянок без пошкоджень і деформацій, пов'язаних з втратою міцності конструкцій в загальній довжині ділянки дороги, яка розглядається.
Конструкція дорожнього одягу нежорсткого типу, його загальна товщина, товщини окремих шарів і матеріал покриття повинні забезпечувати шорсткість і стабільну в часі рівність поверхні, а також міцність і морозостійкість всієї конструкції, – які відповідають внормованим показникам.
Основа дорожнього одягу нежорсткого типу забезпечує зменшення прогину покриття від навантаження транспортних засобів, а також розподіляє напруження на ґрунт земляного полотна до припустимих значень. Основа повинна мати міцність, необхідну для виконання цих функцій протягом усього терміну служби.
Дорожній одяг нежорсткого типу повинен забезпечувати внормовануморозостійкість, залежно від типу конструкції одягу, та мати необхідні дренувальні властивості. У місцях зі складними ґрунтово-гідрологічними умовами повинні бути передбачені спеціальні заходи згідно з [4].
На посадкових майданчиках зупинок транспорту загального користування, майданчиках відпочинку, велосипедних і пішохідних доріжках доцільно влаштовувати покриття з дрібношорсткою поверхнею (піщаних асфальтобетонних сумішей з використанням подрібненого піску або відсіву).
Проектування дорожнього одягу нежорсткого типу являє собою єдиний процес конструювання й розрахунку дорожньої конструкції (системи дорожній одяг плюс робочий шар земляного полотна) на міцність, морозостійкість і осушення з техніко-економічним обґрунтуванням варіантів з метою вибору найбільш економічного за даних умов.
Задачі конструювання дорожнього одягу нежорсткого типу:
· вибір типу покриття;
· призначення кількості конструктивних шарів основи (додаткової основи);
· розміщення шарів у конструкції і попереднє призначення їх товщин;
· попередня оцінка необхідності призначення додаткових морозозахисних заходів з урахуванням дорожньо-кліматичної зони, типу ґрунту робочого шару земляного полотна та схеми зволоження робочого шару на різних ділянках;
· попередня оцінка необхідності призначення заходів для осушення конструкції, а також для підвищенню тріщиностійкості конструкції;
· оцінка доцільності зміцнення чи поліпшення верхньої частини робочого шару земляного полотна.
При конструюванні дорожнього одягу нежорсткого типу необхідно керуватися такими принципами:
а) тип дорожнього одягу та вид покриття, конструкція дорожнього одягу в цілому повинні задовольняти транспортно-експлуатаційні вимоги, які висувають до дороги певної категорії з очікуваним у перспективі складом й інтенсивністю руху, з урахуванням зміни інтенсивності протягом заданих міжремонтних термінів і передбачуваних умов ремонту й утримання;
б) конструкція одягу може бути прийнята типовою чи розроблена індивідуально для кожної ділянки або ряду ділянок дороги, що характеризуються подібними природними умовами (ґрунт робочого шару земляного полотна, умови його зволоження, клімат, забезпеченість місцевими дорожньо-будівельними матеріалами тощо) з однаковими розрахунковими навантаженнями. При виборі конструкції дорожнього одягу для даних умов перевагу варто віддавати перевіреній на практиці в даних умовах типовій конструкції;
в) у районах, недостатньо забезпечених стандартними кам’яними матеріалами, допускається (при відповідному обґрунтуванні) застосовувати місцеві кам’яні матеріали, побічні продукти промисловості та ґрунти, властивості яких можуть бути поліпшені шляхом їх обробки в’яжучими матеріалами (цемент, бітум, вапно, активні золи віднесення тощо). Одночасно треба прагнути до створення конструкції по можливості найменш матеріалоємної;
г) конструкція повинна бути технологічною й забезпечувати можливість максимальної механізації й автоматизації дорожньо-будівельних процесів. Для досягнення цієї мети кількість шарів і видів матеріалів у конструкції повинна бути мінімальною;
д) при конструюванні необхідно враховувати реальні умови проведення будівельних робіт (літня чи зимова технологія тощо) і досвід служби доріг у конкретному заданому районі.
При призначенні видів покриття і основ для різних варіантів конструкцій дорожнього одягу нежорсткого типу слід враховувати положення чинних стандартів і норм на дорожньо-будівельні матеріали і вироби та норми проектування автомобільних доріг [3;5]. При виборі матеріалів для влаштування шарів дорожнього одягу нежорсткого типу необхідно враховувати такі положення:
а) покриття і верхні шари основи повинні відповідати проектним навантаженням і бути водо-, морозо- і термостійкими;
б) конструкція дорожнього одягу в місцях зупинок громадського транспорту, на регульованих перехрестях і в інших місцях зміни швидкості руху чи на затяжних спусках повинна забезпечувати підвищений опір зсуву при високих літніх температурах. Для забезпечення цієї вимоги в покритті передбачають застосування тільки зсувостійких асфальтобетонних сумішей типу А і Б, щільних сумішей, а в основі – крупнозернистих асфальтобетонних сумішей або кам’яних матеріалів, укріплених цементом.
При виборі матеріалу для верхнього шару основи треба враховувати категорію дороги, тип покриття, а також і те, що шари, які містять органічне в’яжуче, мають кращі деформаційні якості і теплофізичні властивості, ніж матеріали та ґрунти, укріплені неорганічними в’яжучими. Однак, матеріали, що містять органічне в’яжуче, дуже чутливі до високої температури, за якої зменшується їх зсувостійкість, чи негативної температури, що призводить до підвищення їхньої крихкості.
На магістральних дорогах з важким і швидкісним рухом, основи потрібно влаштовувати переважно з укріплених матеріалів.
При влаштуванні щебеневих шарів необхідно забезпечити відсутність вільної води в цьому шарі.
Оскільки піщана основа після ущільнення стає малопроникною, необхідно передбачати в цьому випадку для відведення вільної води спеціальні дренуючі шари.
Товщину шарів з матеріалів, що містять органічне в’яжуче й укладених на верхній шар основи із матеріалів, укріплених цементом, для обмеження появи «відбитих» тріщин на покритті потрібно приймати не меншою за товщину шарів, укріплених цементом. При цьому мінімальна товщина шарів з органічним в’яжучим не повинна бути меншою за 12 см для полегшених покриттів і 16— 18 см для капітальних.
Раціональна товщина нижніх та додаткових шарів основи з неукріплених кам’яних матеріалів – не більше 20 см. У багатьох випадках доцільно передбачати їхнє зміцнення в’яжучими матеріалами.
Розташування неукріплених зернистих матеріалів між шарами із матеріалів чи ґрунтів, оброблених в’яжучим не допускається.
Необхідно передбачати в конструкції дорожнього одягу нежорсткого типу можливо меншу кількість шарів (2 – 4 без урахування додаткових шарів) з різних матеріалів, використовуючи як основу пористий асфальтобетон, маломіцний цементобетон, ґрунти й матеріали укріплені в’яжучими. В окремих випадках, коли технічно й економічно доцільно, можна призначати і більше шарів дорожнього одягу.
Товщину окремого шару попередньо призначають у діапазоні від мінімальної конструктивної товщини, регламентованої діючими нормами (ДБН В.2.3-4, ДСТУ Б В.2.7‑119), до практично прийнятих значень (наприклад, у типових проектах) для даного регіону.
Загальну товщину дорожнього одягу й товщини окремих конструктивних шарів остаточно визначають з розрахунку на міцність, морозостійкість і осушення.
Якщо загальна товщина дорожнього одягу, отримана з розрахунку на міцність, менша за товщину, встановлену за морозостійкістю, то слід передбачити додаткові морозозахисні чи теплоізоляційні шари. У цьому випадку конструкцію основи дорожнього одягу потрібно призначати одночасно з проектуванням морозозахисних чи теплоізоляційних і дренажних шарів.
Товщину покриття удосконаленого типу слід призначати такою, щоб напруження розтягу, що діють в його найбільш напруженій зоні, не перевищували допустимих.
Максимальні напруження при згині виникають, якщо модулі пружності суміжних шарів відрізняються в 10 і більше разів. Тому модулі пружності суміжних шарів повинні відрізнятися не більше, ніж у 3 – 5 разів.
Для капітальних дорожніх одягів товщину асфальтобетонного покриття, що влаштовується з порівняно дорогих матеріалів, слід призначати близькою до мінімальної конструктивної, верхній шар основи капітальних дорожніх одягів потрібно влаштовувати головним чином з монолітних матеріалів – з пористого асфальтобетону, щебеневих сумішей, оброблених бітумною емульсією, фракційного щебеню, обробленого в’язким бітумом шляхом просочення, а також із фракційного щебеню, влаштованого за принципом розклинки дрібним щебенем чи гранульованим активним шлаком, укріпленою методом просочення цементопіщаною сумішшю, а також цементобетоном (рис. 1).
 |  |  |  |  |
 |  |  |  |
| Рис. 1. Конструкції капітальних одягів доріг І і II категорій з удосконаленим покриттям: 1 – дрібнозернистий асфальтобетон I марки; 2 – крупнозернистий пористий асфальтобетон; 3 – щебінь, зміцнений цементом або комплексними в’яжучими речовинами; 4 – ретельно ущільнений ґрунт; 5 – пісок, гравійний шлак (додатковий шар основи); 6 – ґрунт, зміцнений неорганічними в’яжучими; 7 – щебінь з розклинкою; 8 – пісний цементобетон; 9 – ґрунт і матеріали оброблені комбінованими в’яжучими або активною золою виносу; 10 – зміцнений цементом гравій; 11 – гравій, зміцнений малими дозами цементу, або ґрунт, оброблений рідким органічним в’яжучим; 12 – гравійна суміш з домішкою подрібненого щебеню; 13 – пінопласт (влаштовується, коли не задовольняються умови щодо морозостійкості); 14 – конструктивний теплоізоляційний шар цементоґрунту з легким заповнювачем |
Для влаштування нижньої частини основи залежно від розрахункових умов руху слід надавати перевагу монолітним (укріплені ґрунти і кам’яні матеріали), а також зернистим матеріалам, що відповідають вимогам ДСТУ Б.В.2.7-74, ДСТУ Б.В.2.7-75, ГОСТ 23558.
У конструкціях дорожніх одягів на контакті шарів із крупнозернистих чи гравійних матеріалів з піщаними шарами основи чи з ґрунтом земляного полотна слід передбачати розділяючі прошарки для запобігання взаємопроникнення матеріалів суміжних шарів і зниження у зв’язку з цим довговічності конструкції.
Дорожні одяги полегшеного типу з удосконаленими покриттями (асфальтобетонні, з чорного щебеню, з щебеню, обробленого в’яжучим способом просочення, зі щебенево-піщаних сумішей, оброблених органічним чи мінеральним в’яжучим, з піщаних або супіщаних ґрунтів, оброблених органічним чи мінеральним в’яжучим) доцільно застосовувати на дорогах III, IV категорій, а також при стадійному будівництві дорожніх одягів на дорогах II категорії.
Попередньо товщину покриття з асфальтобетону для полегшених дорожніх одягів слід призначати від 4 см до 6 см, а при використанні інших матеріалів, названих раніше, – від 6 см до 8 см. Остаточно товщину покриття визначають розрахунком.
Основи для полегшених дорожніх одягів з удосконаленим покриттям призначають з монолітних або зернистих матеріалів. При цьому на дорогах III та IV категорій доцільно влаштовувати основу дорожнього одягу з чорного щебеню; щебенево-піщаних сумішей, оброблених емульсією та іншими в’яжучими; різних матеріалів і ґрунтів, а також побічних продуктів промисловості, що оброблені неорганічними або комбінованими в’яжучими, щебеневих і щебенево-гравійних сумішей.
Дорожні одяги з покриттями перехідного типу (щебеневі і гравійні з міцних гірських порід, з маломіцних кам’яних матеріалів і ґрунтів, що укріплені органічними, неорганічними чи комбінованими в’яжучими, доцільно передбачати на дорогах IV та V категорій (рис. 2.), а також при стадійному будівництві дорожнього одягу на дорогах ІІІ категорії..
При проектуванні дорожніх одягів з покриттям перехідного типу потрібно прагнути, щоб дорожній одяг складався з одного чи двох шарів.