Прочность и деформация дорожной одежды

Прочность дорожной одежды является наиболее важным показателем транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги, который необходимо регулярно оценивать в течение всего срока ее службы.

Прочностные качества дорожной одежды определяются, прежде всего, сопротивляемостью подстилающего грунта сжатию. Дорожная одежда должна распределять действующую на нее нагрузку от колеса автомобиля по возможности на большую площадь и предупреждать проникание воды, которая значительно ослабляет прочность грунтового основания.

Возможны три случая деформации дорожного покрытия в зависимости от прикладываемой нагрузки.

Если нагрузка невелика, а слои дорожной одежды и земляного полотна хорошо уплотнены, дорожная одежда не разрушается и происходят только упругие деформации, т. е. дорожная одежда под действием нагрузки прогибается и после проезда автомобиля возвращается в прежнее положение.

При возрастании нагрузки или при временном снижении прочности грунтов основания в весенний или осенний периоды возникают постепенно накапливающиеся пластические малые деформации.

В случае, если суммарное значение деформаций за период ослабленного состояния дорожной одежды превысит некоторые предельные значения, дорожная одежда разрушится.

Прочность дорожной одежды зависит от предельно допустимого прогиба (табл. 3.2), а также от количества приложений нагрузки за период ослабления дорожной одежды.

При очень больших нагрузках или значительном ослаблении прочности грунта основания вначале замедленно накапливаются деформации, которые в дальнейшем быстро возрастают, в результате чего происходит полное разрушение дорожной одежды.

При действии давления от колеса основание дорожной одежды сжимается в пределах активной зоны (зоны, в которой возможно перемещение грунта) и происходит прогиб дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с образованием так называемой чаши прогиба 2 (рис. 3.4).

Давление, передаваемое на грунтовое основание, зависит от площади, на которую распределяется нагрузка. С увеличением толщины дорожной одежды эта площадь увеличивается, а давление соответственно уменьшается. В весенний или осенний период, когда вследствие большого переувлажнения снижается прочность грунта, существующая толщина дорожной одежды не обеспечивает безопасное давление, и при проезде очень тяжелых автомобилей могут возникнуть проломы дорожной одежды.

В связи с этим в течение двух-трех наиболее неблагоприятных недель дорожники закрывают движение тяжелых автомобилей.

При действии нагрузки происходят сжатие и доуплотнение верхней части дорожной одежды (зона 3), а в нижней части дорожной одежды - растяжение (зона 1).

При превышении предельной прочности материалов верхних или нижних слоев дорожной одежды образуются трещины 4.

По периметру зоны контакта шины колеса с дорожным покрытием действуют срезывающие напряжения, которые могут

Таблица 3.2

Интенсивность движения, авт./сут, приведенная к расчетному автомобилю и нагрузке 105 Н	Предельно допустимый прогиб дорожных покрытий, мм
капитальных	облегченных	переходного типа
	1,15	1,45	1,85
	1,03	1,27	1,68
	0,92	1,1	-
	0,85	-	-
	0,78	-	-
	0,73	-	-
	0,69	-	-

Рис. 3.4. Виды деформаций и разрушений дорожной одежды:

1 - зона растяжения; 2 - чаша прогиба; 3 - зона сжатия одежды; 4 - трещины в дорожной одежде;

5 - поверхность среза одежды; 6 - деформация дорожной одежды; 7 - направление выпирания грунта;

8 - направление сжатия грунта; 9 - уплотнение грунта в основании дорожной одежды;

10 - площадь передачи давления на грунт

приводить при слабом основании и тонкой дорожной одежде к ее пролому или выкалыванию отдельных ее частей.

В нижних слоях дорожной одежды из малосвязных и несвязных материалов и в грунтовых основаниях могут возникать необратимые деформации (так называемые пластические течения), развитие которых приводит к накоплению деформаций дорожной одежды и ее разрушению.

Вероятность появления деформаций связана с одновременным действием нагрузки от колеса и климатических факторов (влажности и температуры). При эксплуатации автомобильных дорог все деформации протекают вначале скрытно, и трудно предвидеть их развитие. Поэтому необходимо проводить профилактический контроль прочности дорожной одежды в неблагоприятные периоды года с целью разработки мероприятий по предупреждению разрушения дорожной одежды.

Прочность дорожной одежды характеризуют модулем длительной упругости

E = p D (1 - μ²)/l, (3.12)

где р - удельное давление колеса на поверхность дорожного покрытия, МПа, для транспортных средств группы А р = 0,6 МПа, для транспортных средств группы Б р = 0,5 МПа; D - диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса, м, для транспортных средств группы A D = 0,33 м, для транспортных средств группы Б D = 0,28 м; l - упругий прогиб, м; μ - коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассона), μ = 0,3.

Рис. 3.5. Рычажный прогибомер МАДИ - ЦНИЛ:

а - вид сбоку; б - вид сверху; 1 - пробка; 2 - стойка для индикатора; 3 - индикатор;

4 - держатель индикатора; 5 - швеллер; 6 - заднее плечо рычага; 7 - подъемные винты; 8 - соединительная муфта; 9 - опорный винт; 10 - стяжной болт; 11 - переднее плечо рычага; 12 - измерительная игла;

13 - винт, закрепляющий иглу; 14 - подпятник, предохраняющий врезание измерительной иглы в дорожное покрытие; 15 - поперечная опорная балка

Величина pD - постоянная для расчетного автомобиля, поэтому для определения модуля упругости дорожной одежды Еи оценки по его значению прочности дорожной одежды достаточно определить прогиб l.

Наиболее простым прибором для быстрого определения прогиба является рычажный прогибомер МАДИ - ЦНИЛ (рис. 3.5).

Рычажный прогибомер имеет составной рычаг, свободно вращающийся на оси рамы. Переднее плечо 11 рычага имеет измерительную иглу 12 с подпятником 14. Заднее плечо 6 рычага заканчивается пробкой 1 с горизонтальной площадкой, в которую упирается стержень индикатора 3, установленный на стойке.

Испытание дорожной одежды производят на обследуемом участке через каждые 50 м. Прогиб измеряют на полосе наката (1...1,5 м от кромки дорожного покрытия).

Для повышения производительности труда при определении прогибов дорожной одежды разработан длиннобазовый прогибомер (рис. 3.6).

Длиннобазовый рычажный прогибомер состоит из сборного рычага, который поворачивается на оси, закрепленной в корпусе опоры 5. Рычаг 6 состоит из переднего 7 и заднего 4 плеч. На переднем плече расположен щуп 9, который с помощью шарового шарнира соединен с подпятником 11. Щуп крепится к рычагу зажимным винтом 10. На заднем плече на кронштейне 2 закреплен индикатор 3. Щуп с подпятником размещают между скатами заднего сдвоенного колеса 8 под центром задней оси автомобиля.

Рис. 3.6. Длиннобазовый рычажный прогибомер:

1 - опорная подкладка; 2 - кронштейн; 3 - индикатор; 4 - заднее плечо

рычага; 5 - опора; 6 - рычаг; 7 - переднее плечо рычага; 8 - заднее сдвоенное

колесо; 9 - щуп; 10 - зажимной винт; 11 - подпятник

Наклонная поверхность клиновидной опорной подкладки 1 контактирует со стержнем индикатора.

Для оценки прочности дорожной одежды применяют установки динамического нагружения. К ним, например, относится установка с падающим грузом УДН-НК (рис. 3.7).

Установка УДН-НК смонтирована сзади кузова автомобиля. Нагружение осуществляется путем сбрасывания груза. Усилие на дорожное покрытие передается через сдвоенные авиационные пневматические колеса, обеспечивающие площадь отпечатка и удельную нагрузку, эквивалентные отпечатку и нагрузке расчетного транспортного средства группы А. Прогиб измеряют с помощью сейсмоприемника. Измерительный датчик смонтирован на специальной тележке и находится между сдвоенными авиационными колесами.

Аппаратура сбора и первичной обработки данных испытаний расположена в кабине водителя. Нагружение дорожной одежды производят с остановкой в каждой точке испытания. Производительность установки при 20 испытаниях на 1 км составляет 20 км за смену.

Упругий прогиб дорожной одежды можно измерить также с помощью установки динамического нагружения ДИНА-3М (рис. 3.8), которая может работать как в автономном режиме, так и в составе передвижной дорожной лаборатории типа КП-514 МП (рис. 3.9).

На прицепе установлено механизированное устройство для подъема груза массой 160 кг на определенную высоту с последующим сбросом его на штамп, опускаемый на поверхность дорожного полотна. В момент приложения динамической нагрузки измеряется упругий прогиб дорожной конструкции.

Рис. 3.7. Установка динамического нагружения (навесная) УДН-НК:   а - конструкция; б - схема испытания; 1 - несущая рама; 2 - электроталь; 3 - верхний кронштейн; 4 - ограничитель подъема; 5 - зацепное устройство; 6 - нижний кронштейн; 7 - испытательный груз; 8 - штамп; 9 - опорная рама; 10 - измерительная тележка; 11 - лебедка для подъема штампа; 12 - прибор управления электроталью; 13 - виброграф для измерения прогиба; 14 - пружина; G - вес груза; Н - высота сбрасывания груза

Рис. 3.8. Установка динамического нагружения ДИНА-3М

Рис. 3.9. Передвижная дорожная лаборатория типа КП-514 МП

При использовании установки в составе передвижной лаборатории она оснащается модулем связи с бортовым вычислительным комплексом, что позволяет полностью автоматизировать процесс нагружения и измерений. Диапазон измерений прогиба 0,1...3 мм, производительность 20 км/смена.

По значению прогиба, определяемому лабораториями, получают фактический модуль упругости дорожной конструкции и ее прочность.

Прочность жестких дорожных одежд оценивают:

максимальным динамическим прогибом l_mах под воздействием падающего груза (амортизированный удар) прибора ударного типа;

максимальным радиусом кривизны дорожного покрытия r при воздействии динамической нагрузки (амортизированный удар);

максимальным напряжением σ в бетонной плите, определяемым согласно теории упругости по формуле

(3.13)

где h - толщина плиты, м;

жесткостью дорожной одежды с, Н/м, определяемой отношением максимальной ударной силы F, Н, к максимальному динамическому прогибу l_mах, м:

c = F/l_max.

Основной сравнительной характеристикой является статистическая оценка жесткости дорожной одежды.