Розрахунок дорожнього одягу нежорсткого типу на міцність
Задача розрахунку – визначення товщини шарів дорожнього одягу у варіантах, намічених при конструюванні, чи вибір матеріалів з відповідними деформаційними характеристиками і характеристиками міцності при заданих товщинах шарів.
Розрахунок дорожнього одягу на міцність заснований на наступних передумовах:
а) напружено-деформований стан дорожнього одягу під дією навантаження описується рішеннями лінійної теорії пружності для шаруватого півпростору з урахуванням умов сполучення шарів на контактах; сили інерції через їх малість у розрахунку не враховуються (задача квазистатична);
б) граничний стан дорожнього одягу характеризується показниками, що залежать від властивостей матеріалу кожного шару дорожнього одягу і ґрунту земляного полотна, а також від їхнього розміщення й умов роботи в конструкції.
Розрахунок дорожніх одягів засновано на трьох критеріях граничного стану – пружному прогині дорожнього одягу під навантаженням, опорі згину монолітних шарів і опорі зсуву ґрунтів і шарів з малозв’язних матеріалів.
Опір згину монолітних шарів і опір зсуву ґрунтів і шарів з малозв’язних матеріалів є міцностними характеристиками дорожнього одягу.
Граничний прогин дорожнього одягу є комплексною характеристикою деформативної здатності дорожнього одягу і визначає відповідність необхідної монолітності та рівності покриття.
Для спрощення розрахунків за допомогою таблиць і номограм реальні багатошарові дорожні конструкції приводять до двошарових і тришарових моделей за допомогою методів, викладених у [4].
Дорожні одяги на перегонах доріг потрібно розраховувати на короткочасну багаторазову дію рухомих навантажень. Тривалість дії навантажень при сучасних швидкостях руху вантажних автомобілів необхідно приймати рівною 0,1 с, у цьому випадку в розрахунок приймаються значення модуля пружності і міцносні характеристики матеріалів і ґрунту, визначені теж при тривалості дії навантаження 0,1 с.
Одяг на зупинках автобусів і тролейбусів, перехрестях доріг, на підходах до пересічень із залізничними і трамвайними шляхами тощо потрібно розраховувати на багаторазову короткочасну дію навантаження, а також на тривале одноразове навантаження. При розрахунку одягу на тривалу дію навантаження використовуються значення модуля пружності матеріалів і ґрунтів і їх міцносні характеристики, визначені при тривалості навантаження не менше 600 с.
Одяг на стоянках автомобілів і узбіччях доріг слід розраховувати на тривале навантаження (600 с). Через малу повторність впливу навантажень тут можна вести розрахунок на одиничне навантаження.
При розрахунку на міцність дорожніх одягів з асфальтобетонним покриттям необхідно враховувати особливості його роботи під час експлуатації залежно від температури. У той час, як покриття найбільш напружено працює при низьких позитивних температурах, ґрунт земляного полотна і шари одягу із малозв’язних матеріалів сприймають великі напруження при підвищених весняних температурах, коли модуль пружності асфальтобетону істотно знижується. Тому при розрахунку власне асфальтобетонного покриття на розтяг при згині характеристики його повинні відповідати низьким весняним температурам (див. додаток 4). При розрахунку шарів із малозв’язних матеріалів, а також ґрунту на опір зсуву модуль пружності асфальтового бетону покриття повинний відповідати весняним підвищеним температурам (див. додатки 3 і 4).
Дорожній одяг потрібно розраховувати з урахуванням надійності, під якою мають на увазі імовірність безвідмовної роботи конструкції протягом усього періоду між капітальними ремонтами. При цьому під відмовою розуміють такий стан дорожнього одягу і відповідний йому коефіцієнт міцності, при якому потрібно проведення капітального ремонту раніше терміну, встановленого у [4]. Кількісним показником служить рівень надійності, що являє собою відношення довжини міцних конструкцій, що не потребують капітального ремонту, до загальної довжини ділянки з даним значенням запасу міцності.
Для основних випадків проектування припустимий (необхідний) коефіцієнт надійності Кн, що визначає мінімальне значення коефіцієнта міцності К мц, який дорожній одяг повинний мати до кінця терміну служби між капітальними ремонтами, нормований залежно від категорії дороги, капітальності одягу і типу покриття (табл. 3). Припустимий коефіцієнт надійності міських доріг і вулиць слід приймати теж за табл. 3. При коефіцієнті надійності, що відрізняється від зазначених в таблиці його значень, мінімальний коефіцієнт міцності Кмц одягу слід приймати за графіком (рис. 3).
3 урахуванням рівня надійності конструкції визначають розрахункові значення опору розтягу при згині асфальтобетону і вологості ґрунту (див. додатки 3 і 4).
Таблиця 3
| Категорія дороги | Тип дорожнього одягу | Коефіцієнт надійності, Кн | Характеристика надійності, β | Коефіцієнт запасу, Кмц, за критерієм граничного стану | ||
| згин моно-літних шарів | пруж-ний прогин | зсув у незв’яз-них шарах | ||||
| Іа | Капітальний | 0,97 | 1,875 | 1,39 | 1,50 | 1,51 |
| Іб – ІІ | Капітальний | 0,95 | 1,645 | 1,35 | 1,43 | 1,48 |
| III | Капітальний | 0,90 | 1,280 | 1,29 | 1,33 | 1,40 |
| IV | Полегшений | 0,85 | 1,035 | 1,27 | 1,29 | 1,38 |
| V | Перехідний | 0,75 | 0,68 | 1,19 | 1,23 | 1,25 |
 |
| a) |
 |
| б) |
 |
| в) |
| Рис. 3. Залежність коефіцієнта міцності Кмц від коефіцієнта надійності Кн при критеріях граничного стану: а – згин монолітних шарів; б – пружний прогин; в – зсув у незв’язних матеріалах та ґрунті земляного полотна для автомобільних доріг І – V категорій |
Відповідно до принципів розрахунку дорожніх одягів за трьома граничними станами критеріями міцності дорожніх одягів прийняті:
а) опір пружному прогину всієї конструкції (за допустимим прогином або допустимим модулем пружності);
б) опір зсуву в ґрунтах і шарах з малозв’язних матеріалів (за допустимими напруженнями зсуву);
в) опір шарів з монолітних матеріалів розтягу при згині і на стиск у верхньому поясі (допустимі напруження на розтяг та стиск при згині).
Розрахунок дорожніх одягів капітального типу, призначених для руху важких транспортних засобів з навантаженням на вісь, рівним чи більшим 115 кН, ведуть за двома критеріями міцності: опору зсуву в ґрунтах і шарах з слабозв’язних матеріалів і опору шарів з монолітних матеріалів при згині.
За допустимим пружним прогином робиться попереднє конструювання дорожнього одягу, який потім розраховують за критеріями міцності.
Методично доцільно дотримуватися наступної послідовності розрахунку.
Розрахунок дорожнього одягу за допустимим пружним прогином на основі залежності необхідного загального модуля конструкції від розрахункової інтенсивності руху. У результаті цього розрахунку визначаються товщини конструктивних шарів одягу і їхні модулі пружності таким чином, щоб загальний модуль пружності дорожнього одягу був не меншим за необхідний з урахуванням відповідного коефіцієнта міцності (табл. 3).
Розрахунок отриманої конструкції дорожнього одягу за двома незалежними критеріями міцності: опором зсуву в ґрунті і шарах з малоз’вязних матеріалів і міцності шарів з монолітних матеріалів при згині.
Конструкція дорожнього одягу вважається міцною, якщо коефіцієнт міцності за кожним з критеріїв більший чи дорівнює Кмц, знайденому з урахуванням необхідного рівня надійності проектованого дорожнього одягу (див. рис. 3). Конструкції потрібно вибирати на основі економічних порівнянь декількох варіантів конструкцій, що відповідають умовам міцності, при цьому може виявитися, що коефіцієнт міцності за будь-яким із критеріїв значно перевищує Кмц.
Мінімальна товщина конструктивних шарів дорожнього одягу визначається технологічними можливостями дорожньо-будівельних машин і особливостями технології.
Товщина ущільненого шару асфальтобетону повинна бути не меншою двох з половиною діаметрів максимального розміру зерна щебеню. В усіх інших випадках товщина шару повинна перевищувати розмір найбільш великих часток кам'яних матеріалів не менше, ніж у 1,5 рази (крім шарів, що влаштовуються за способом просочення).
Мінімальна товщина конструктивних шарів, що рекомендується (у сантиметрах):
| а) Асфальтобетон крупнозернистий | |
| б) Те ж, дрібнозернистий з розміром зерен: | |
| - до 20 мм | |
| - до 15 мм | |
| - до 10 мм | |
| 1) піщаний | |
| 2) холодний дрібнозернистий | |
| 3) холодний піщаний | |
| в) Щебеневі (гравійні) матеріали, оброблені органічними в’яжучими | |
| г) Щебінь, оброблений просоченням | |
| д) Щебеневі і гравійні матеріали, не оброблені в’яжучими, на піщаній основі | |
| е) Те ж, на міцній основі (кам’яному чи з укріпленого ґрунту) | |
| ж) Ґрунти і маломіцні кам’яні матеріали, оброблені органічними, комплексними чи неорганічними в’яжучими | |
| з) Ґрунт підвищеної міцності |
Примітка.Коли за умовами дії навантажень потрібна загальна товщина асфальтобетонних шарів покриття і основи менша суми двох мінімальних конструктивних товщин, доцільна заміна покриття і верхнього шару основи одним шаром покриття більшої, ніж зазначено, товщини, що встановлюється розрахунком.
Дорожні одяги капітального типу потрібно конструювати та розраховувати за критеріями граничного стану на міжремонтні строки експлуатації при високому рівні надійності (табл. 3 і 8).
Полегшені одяги слід розраховувати на вплив рухомого навантаження теж за трьома критеріями, але зі зменшеним коефіцієнтом надійності, що допускається, у порівнянні з капітальними (табл. 3).
Розрахункові навантаження та інтенсивність руху
За розрахункову схему навантаження конструкції колесом автомобіля приймається пружний круговий штамп діаметром D, що передає рівномірно розподілене навантаження величиною р.
Величини розрахункового питомого тиску колеса на покриття р і розрахункового діаметра D, зведеного до круга відбитка розрахункового колеса на поверхні покриття призначають з урахуванням нормативного (статичного) навантаження на вісь:
- для доріг Іа, Іб і II категорій – 115 кН;
- для доріг III – IV категорій – 100 кН;
- для доріг V категорії – 60 кН.
За параметри, що характеризують величину та повторність дії навантаження транспортних засобів на дорожній одяг, слід приймати:
- при проектуванні дорожнього одягу на нерухоме навантаження – середній розрахунковий тиск р колеса на покриття та розрахунковий діаметр Dн зведеного до круга відбитка колеса нерухомого автомобіля;
- при проектуванні дорожнього одягу на дію рухомого транспортного засобу – тиск р, розрахунковий діаметр Dд відбитка колеса рухомого автомобіля та розрахункову інтенсивність руху Np, що приведена, до нормованого навантаження (табл. 4).
Таблиця 4
| Група розрахункового навантаження | Нормативне статичне навантаження на вісь, кН | Нормативне статичне навантаження на поверхню покриття від колеса розрахункового автомобіля, Qpозp, кН | Розрахункові параметри навантаження | ||
| р, Мпа | Dн, см | Dд, см | |||
| а1 | 57,5 | 0,80 | 30,0 | 34,5 | |
| А2 | 0,60 | 33,0 | 37,0 | ||
| Б | 0,50 | 28,0 | 32,0 |
Дорожній одяг автомобільних доріг необхідно розраховувати з урахуванням складу та перспективної інтенсивності руху, що очікується на рік служби перед капітальним ремонтом. Термін служби до капітального ремонту необхідно приймати відповідно до ВБН Г.1-218-050.
Середньодобова перспективна кількість проїздів усіх коліс, що розміщені по один бік транспортного засобу в межах однієї смуги проїзної частини, приведена до розрахункового навантаження є приведеною розрахунковою інтенсивністю Np (в одиницях на добу) дії навантаження:
Np=ƒсмуги 
Sм сум (1)
де fсмуги – коефіцієнт, що враховує кількість смуг руху та розподіл руху транспорту на них, визначається за табл. 5;
n – загальна кількість марок транспортних засобів у складі транспортного потоку;
Nm – кількість проїздів за добу в обох напрямках транспортних засобів i-ої марки;
Sт сум – сумарний коефіцієнт приведення дії на дорожній одяг транспортного засобу i-ї марки до розрахункового навантаження (Qрозр).
Визначення сумарного коефіцієнта приведення різних марок автомобілів до розрахункового навантаження виконують відповідно до вказівок додатка Ж [4].
Таблиця 5
| Кількість смуг руху | Значення коефіцієнта fсмуги для смуги за номером | |||
| 1,00 | – | – | – | |
| 0,55 | – | – | – | |
| 0,50 | 0,50 | – | – | |
| 0,50 | 0,80 | – | – | |
| 0,35 | 0,20 | 0,05 | – | |
| 0,30 | 0,20 | 0,05 | 0,01 | |
| Примітка 1. Порядковий номер смуги рахується справа по ходу руху в одному напрямку. Примітка 2. Для розрахунку узбіч приймають fсмyгu = 0,01. Примітка 3. На перехрестях і підходах до них (у місцях перебудови автомобілів для здійснення лівих поворотів тощо) при розрахунках одягу в межах всіх смуг руху потрібно приймати, fсмуги = 0,50, якщо загальна кількість смуг проїзної частини проектованої дороги більша, ніж три. |
На багатосмугових дорогах при відповідному обґрунтуванні дозволяється проектувати одяг змінної товщини за шириною проїжджої частини, розрахувавши дорожній одяг у межах різних смуг відповідно до значення Np, знайденого за формулою (1).
Сумарна кількість проїздів розрахункового навантаження за термін служби дорожнього одягу визначається за формулою:
ƒсмуг 
Sм сум·Kn, (2)
або за формулою:
(3)
де n – кількість марок автомобілів;
N1m – середньодобова інтенсивність руху в обох напрямках автомобілів і-ї марки в перший рік служби, один./д;
Трдр — кількість розрахункових діб за рік, відповідно до стану деформативності конструкції, за табл. 6;
Кn — коефіцієнт, що враховує ймовірність відхилення сумарного руху від середнього, що очікується, за табл. 7;
Кс – коефіцієнт суми, що визначається за формулою:
(4)
де Тсл – розрахунковий строк служби (приймається відповідно до ВБН Г.1-218-050);
q – показник змін інтенсивності руху даного типу автомобіля за роками; встановлюється за результатами техніко-економічних вишукувань або за іншими даними (може змінюватися від 0,80 до 1,10).
За відсутності інших даних значення Кс наведено в табл. 9.
Таблиця 6
| Дорожньо-кліматичний район | У-І | У-ІІ | У-ІII | У-IV | |
| Захід | Південь | ||||
| Кількість розрахункових днів на рік (Трдр) | |||||
| Примітка. Розрахунковим вважається день, протягом якого сполучення стану ґрунту земляного полотна за вологістю і температурою асфальтобетонних шарів конструкції зберігає можливість накопичення залишкової деформації в ґрунті земляного полотна чи малозв’язаних шарах дорожнього одягу. |
Таблиця 7
| Тип дорожнього одягу | Значення коефіцієнта Кn для різних категорій доріг | ||||
| І | II | III | IV | V | |
| Капітальний | 1,49 | 1,49 | 1,38 | 1,31 | – |
| Полегшений | – | 1,47 | 1,32 | 1,26 | 1,06 |
| Перехідний | – | – | 1,19 | 1,16 | 1,04 |
Норми строків служби дорожніх одягів між капітальними ремонтами наведено в табл 8.
Таблиця 8
| Категорія автомобільної дороги | Інтенсивність руху, трансп. один/добу | Тип дорожнього одягу | Матеріал покриття | Строк експлуатації дорожнього одягу, у роках | |
| І | понад 10000 | капітальний | асфальтобетон | ||
| II | 3000 – 10000 | капітальний | асфальтобетон | ||
| III | 1500 – 3000 | полегшений | чорнощебеневе (просочування) | ||
| III – IV | 1000 – 3000 | полегшений | асфальтобетон | ||
| IV | 500 – 1500 | полегшений | чорнощебеневе (просочування) | ||
| IV | 500 – 1500 | полегшений | чорнощебеневе (змішування на дорозі) | ||
| IV | 500 – 1500 | полегшений | чорнощебеневе (змішування на дорозі) | ||
| IV | 150 – 500 | перехідний | щебеневе | ||
| IV | 150 – 500 | перехідний | бруківка | ||
| IV – V | До 150 | перехідний | цементогрунтове: маломіцні кам’яні матеріали, укріплені в’яжучими матеріалами | ||
| V | Менше 150 | перехідний | маломіцні кам’яні матеріали, укріплені в’яжучими матеріалами; фракційовані кам’яні матеріали | ||
| Примітка 1. При застосуванні дьогтю замість бітуму на покриттях полегшеного типу міжремонтні строки експлуатації зменшуються на два роки. Примітка 2. При застосуванні дьогтеполімерів або бітумополімерів міжремонтні строки експлуатації поверхневих обробок можуть збільшуватися на 1 рік. Примітка 3. При проходженні автомобільної дороги у складних умовах гірської місцевості (дорожньо-кліматична зона У – IV) норми міжремонтних строків експлуатації дорожніх одягів зменшуються на 10%. Примітка 4. Категорії автомобільних доріг та відповідні типи дорожніх одягів встановлені згідно з /3/ | |||||
Таблиця 9