Глава II. Определение видов и сроков выполнения ремонтных работ при эксплуатации участка автомобильной дороги
2.1. Определение межремонтного срока до среднего ремонта:
На износ покрытий наибольшее влияние оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой шина деформируется, в зоне контакта с покрытием сжимается, а вне контакта расширяется. Наибольший износ возникает при торможении автомобиля. Износ от грузовых автомобилей больше в 2 раза в сравнении с легковыми. Чем больше прочность, тем меньше и равномернее износ покрытия по ширине. На покрытие из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Износ покрытия является одним из основных видов разрушения происходящих непрерывно в течение всего года под воздействием движения автомобилей и природных факторов по всей ширине проезжей части. Уменьшение макрошероховатости под действием автомобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счет погружения щебня в нижележащий слой покрытия. Размер этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, крупности щебня и твердости покрытия, которую оценивают глубиной погружения иглы твердомера; асфальтобетонные покрытия могут быть очень твердые - 0 ÷ 2 мм, твердые - 2 ÷ 5 мм, нормальные - 5 ÷ 8 мм, мягкие - 8 ÷ 12 мм, очень мягкие - 12 ÷ 18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твердостью. Среднее значение уменьшения толщины покрытий в год вследствие износа можно определить по формуле проф. М.Б.Корсунского:
ht = a + b·B (2.1.1)
или
ht = a + b·N/1000 (2.1.2)
Износ покрытия за Т лет с учетом изменения состава и интенсивности потока в перспективе по геометрической прогрессии
(2.1.3)
а - параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий, (а = 0,4 ÷ 0,6 мм/год для асфальтобетонного покрытия, согласно [1] стр. 74, табл. 3.19);
b - показатель, зависящий от качества ( в основном прочности ) материала покрытия, степени увлажнения, состава и скорости движения (в = 0,25 ÷ 0,55 мм/млн.т.брутто для асфальтобетонного покрытия согласно [1] стр. 74, табл. 3.19);
B - грузонапряженность движения, млн. т брутто в год;
N - среднесуточная интенсивность движения, авт./сут;
N1 - среднесуточная интенсивность движения в год сдачи дороги в эксплуатацию, авт./сут;
K = 1,05 ÷ 1,07 коэффициент, учитывающий изменение состава потока;
q - показатель ежегодного роста интенсивности движения: q = 1,017.
N1 = N4 / g(T-1) (2.1.4)
Т - период, за который определяется износ, годы.
Срок износа покрытия является сроком службы покрытия и определяется межремонтный период для ремонта и восстановления износа покрытия (средний ремонт)
Срок износа покрытия определяется количеством лет, за которое износ превышает допустимую величину (h0). Степень изношенности покрытия определяется коэффициентом изношенности:
Кизн = ht / h0 (2.1.5)
h0 - нормативный износ покрытия ([1] стр.74, табл.3.19 для асфальтобетонного покрытия h0 = 10 мм.)
Если Кизн > 1 требуется восстановление слоя износа за счет ремонта покрытия.
Межремонтный период для слоя износа покрытия определяется графоаналитическим способом. С этой целью определяется суммарный износ на 1, 2, 3, 4, 5 и так далее годы эксплуатации до превышения допустимой величины износа h0.
Таблица 2.1.1
Определение суммарного износа.
| T, год | |||||
| Nt, авт./сут | 1546,86 | 1599,90 | 1654,76 | 1711,50 | 1770,18 |
| ht, мм | 2,07 | 4,32 | 6,77 | 9,46 | 12,42 |
| Kизн | 0,21 | 0,43 | 0,68 | 0,95 | 1,24 |
На основании таблицы строят графики зависимости ht и Kизн от T:
Период среднего ремонта Т = 8 лет и 4 месяцев. Найденная таким образом величина Тср.рем., является межремонтным сроком восстановления слоя износа или средним ремонтом.
2.2. Определение межремонтного срока до капитального ремонта:
Прочность дорожной одежды является одной из основных транспортно-эксплутационных характеристик, определяющих работоспособность и эффективность службы всей дороги. От прочности дорожной одежды зависит надежность обеспечения всех основных транспортно-эксплутационных характеристик дороги: скорости движения, пропускной способности, ровности, шероховатости, изнашиваемости, несущей способности, долговечности, и т.д.
Показателем достаточной прочности дорожной одежды является коэффициент прочности Кпр. - отношение фактических критериев к нормативным.
Прочность дорожной одежды оценивается по трем критериям:
· по общему прогибу;
· по сопротивлению сдвигу в несвязанных конструктивных слоях;
· по сопротивлению растяжению в связанных конструктивных слоях.
Минимально допустимое значение коэффициента прочности (Кпр) определяется в зависимости от типа покрытия, капитальности дорожной одежды и категории дороги (см. таб. 3.1 [2] или таб. 4.7 [1] стр. 80).
Период времени (в годах), за которое происходит снижение коэффициента прочности до минимально-допустимого, называется сроком службы дорожной одежды, или межремонтным периодом, после чего необходим капитальный ремонт.
Определение межремонтного периода для восстановления прочности дорожной одежды производится путём анализа изменения коэффициента прочности (Кпр) в процессе эксплуатации дороги в течение срока службы от момента ввода дороги в эксплуатацию (или предыдущего капитального ремонта) до момента потери прочности (минимальное значение брать из [2] или [3]). Анализ производится по всем критериям предельного состояния.
2.2.1. Анализ прочности по допустимому упругому прогибу
Расчёт на упругий прогиб
При проектировании дорожных одежд в качестве расчетных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось расчетного двухосного автомобиля.
Данные по расчетному автомобилю приведены в таблице (ОДН 218.046-01 стр.62 табл. П.1.1.)
Таблица 2.2.1
| Группа расчетной нагрузки | Нормативная статическая нагрузка на ось, кН | Нормативная статическая нагрузка на поверхность покрытия от колеса расчетного автомобиля, Qрас, кН | Расчетные параметры нагрузки | |
| Р, МПа | Д, см | |||
| А1 | 0,60 |
Величина Np приведенной интенсивности на последний год срока службы определяют по формуле:
Np = fпол·å Nm·Sm сут (2.2.1)
fпол - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределения движения по ним: fдоп = 0,55 (ОДН 218. стр.27 табл.3.2.);
n - общее число различных марок транспортных средств в составе транспортного потока;
Nm - число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m-ой марки;
Sm сут - суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства m-ой марки и расчетной нагрузки Qрас.
Допускается приближенно принимать суммарный коэффициент приведения Sm сут по таблице (ОДН 218.046-01 стр.64 табл. П.1.3.)
| Легковой автомобиль | Автобусы, Икарус 250 | Грузовые автомобили, ГАЗ 53 | Автопоезда, КрАЗ 255В |
Np = 0,55 · (45 · 0,005 + 2 · 0,7 + 19 · 0,2 + 4 · 1,5) = 6,3 (авт./час)
| Час суток | Коэффициент пересчёта | Приведенная интенсивность движения |
| 0-1 | 0,08 | |
| 1-2 | 0,02 | |
| 2-3 | 0,01 | |
| 3-4 | 0,02 | |
| 4-5 | 0,06 | |
| 5-6 | 0,14 | |
| 6-7 | 0,27 | |
| 7-8 | 0,30 | |
| 8-9 | 0,52 | |
| 9-10 | 0,68 | |
| 10-11 | 1,00 | |
| 11-12 | 0,84 | |
| 12-13 | 0,74 | |
| 13-14 | 0,75 | |
| 14-15 | 0,83 | |
| 15-16 | 0,97 | |
| 16-17 | 1,05 | |
| 17-18 | 0,95 | |
| 18-19 | 0,79 | |
| 19-20 | 0,47 | |
| 20-21 | 0,26 | |
| 21-22 | 0,24 | |
| 22-23 | 0,19 | |
| 23-24 | 0,12 | |
| åNp =416 авт./сут. |
Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы определяют по формуле:
åNp = 0,7· Np·Kc /(q(Тсп - 1))·Трдг·Кn (2.2.2)
Np - приведенная интенсивность на последний год срока службы: Np =416 (авт./сут);
Трдг - расчетное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции: Трдг = 135 (ОДН 218.046-01 табл.П1.6.1.);
Kn - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого: Kn = 1,32 (ОДН 218.046-01 табл. 3.3.);
Кс - коэффициент суммирования определяют по формуле:
Кс = (qTсл - 1)/(q - 1) (2.2.3)
Тсп - расчетный срок службы Тсп = 13 лет (ОДН 218.046-01 табл.П.6.2.);
q - показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам q = 1,017.
Кс = (1,01713 - 1)/(1,017 - 1) = 14,41
åNp = 0,7 · 416 · (14,41/(1,01713 – 1)) · 135 · 1,32 = 610 925 авт.
Определим расчетную влажность по формуле:
Wp = Wтаб · (1 + t · νw) (2.2.4)
Wтаб - среднее многолетнее значение относительной (в долях от границы текучести) влажности грунта Wтаб = 0,65% · WТ (ОДН 218.046-01 таб. П.2.1. II д.к.з.; II подзона);
t - коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности: t = 1,71 (ОДН 218.046-01 приложение 4 табл. П.4.2.).
νw - коэффициент вариации, равный 0,1 (ОДН 218.046-01)
Wp = 0,65 · (1 + 0,1 · 1,71) = 0,76 - от границы текучести
Зная Wp, определяем вид грунта: суглинок тяжелый С = 0,006 МПа, j = 7,2о, Егр = 34 МПа (ОДН218.046-01, т.П.2.4, т.П.2.5).
Определим модуль упругости конструкции. Для определения общего исходного модуля упругости вычерчивают конструкцию дорожной одежды и производят расчёт снизу-вверх.
1. Модуль упругости грунта земляного полотна Егр = 34 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.2.5.);
2. Модуль упругости подстилающего слоя песка Еп = 120 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.2.5.);
3. Модуль упругости основания из песчано-гравийной смеси Е = 200 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.3.8.);
4. Модуль упругости основания - фракционированный щебень Е = 450 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.3.9.);
5. Модуль упругости нижнего слоя покрытия из черного щебня. Е = 800 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.3.5.);
6. Модуль упругости верхнего слоя покрытия - плотный асфальтобетон Е = 2400 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.3.2.).
Конструкция дорожной одежды в целом удовлетворяет требованиям прочности и надежности по величине упругого прогиба при условии:
Еобщ / Emin ³ Kтрпр (2.2.5)
Еоб - общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа;
Emin - минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции, Emin=200 МПа (ОДН 218.046-01 табл. 3.4.)
Kтрпр - коэффициент прочности Kтрпр = 1,17. (ОДН 218.046-01 табл.П.3.1.).
Общий модуль упругости конструкции определяют с помощью номограммы, построенной по решению теории упругости для модели многослойной среды. Приведение многослойной конструкции к эквивалентной однослойной ведут послойно, начиная с подстилающего слоя.
1. Ен/Ев = 34/120 = 0,28; hв/D = 65/37 = 1,76; Еоб = 0,71 · 120 = 85,2 МПа;
2. Ен/Ев = 85,2/200 = 0,43; hв/D = 20/37 = 0,54; Еоб = 0,61 · 200 = 122 МПа;
3. Ен/Ев = 122/450 = 0,27; hв/D = 26/37 = 0,70; Еоб = 0,50 · 450 = 225 МПа;
4. Ен/Ев = 225/800 = 028; hв/D = 6,5/37 = 0,18; Еоб = 0,32 · 800 = 256 МПа;
5. Ен/Ев = 256/2400 = 0,11; hв/D = 4/37 = 0,11; Еоб = 0,12 · 2400 = 288 МПа;
Общий расчетный модуль упругости конструкции Еобщ = 288 МПа.
Еобщ / Emin ³ Kтрпр, 288 /200 ³ 1,17 1,44 ³ 1,17
Вывод: условие прочности на упругий прогиб выполняется.
Общий фактический модуль упругости дорожной одежды уменьшается в процессе эксплуатации дороги за счет износа покрытия, старения и потери прочности материала, накопления напряжений, микроповреждений и деформаций на 1-3% в год.
В общем случае изменение фактической прочности дорожной одежды можно определить по формуле:
Еобщ(т) = Еобщ1 · qqТ-1 (2.2.6)
Еобщ(т)- общий модуль упругости дорожной одежды по истечению «Т» лет эксплуатации, МПа;
Еобщ1- общий модуль упругости дорожной одежды в первый год эксплуатации, МПа;
qq - знаменатель прогрессии уменьшения прочности дорожной одежды;
qq= 0,99 ÷ 0,98 - дорожная одежда капитального типа с асфальтобетонным типом покрытия;
qq= 0,98 ÷ 0,97 - дорожная одежда облегченного типа покрытия;
qq= 0,97 ÷ 0,96 - дорожная одежда переходного типа.
(Большие значения для 4-5 климатических зон и меньшие для 2-3 климатической зоны). Примем qq = 0,98.
Требуемый модуль упругости изменяется в зависимости от роста интенсивности движения. Кроме того, закономерность изменения не прямолинейная, поэтому его вычисляют на 1-ый, 5-ый, 10-ый, 15ый и так далее годы эксплуатации. Вычисления сводят в таблицу и строят график зависимости E=f(T), определяя тем самым срок службы дороги до капитального ремонта.
Участок 1:
Таблица 2.2.2
| Год эксплуатации, год | |||||
| Интенсивность движения N, авт./сут | |||||
| Требуемый модуль упругости Етр, МПа | 233,3 | 236,6 | 241,0 | 245,9 | 251,2 |
| Общий модуль упругости Еобщ, МПа | |||||
| Коэффициент прочности Кпр | 1,03 | 0,94 | 0,83 | 0,74 | 0,65 |
По данным таблицы строим графики зависимости E=f(T)
Анализ 1ого участка дороги показывает, что нужен капитальный ремонт дороги в этом году.
Участок 2:
Таблица 2.2.3
| Год эксплуатации, год | |||||
| Интенсивность движения N, авт./сут | |||||
| Требуемый модуль упругости Етр, МПа | 233,3 | 236,6 | 241,0 | 245,9 | 251,2 |
| Общий модуль упругости Еобщ, МПа | |||||
| Коэффициент прочности Кпр | 1,37 | 1,25 | 1,11 | 0,98 | 0,87 |
Анализ 2ого участка дороги показывает, что капитальный ремонт наступит через 7 лет.
Участок 3:
Таблица 2.2.4
| Год эксплуатации, год | |||||
| Интенсивность движения N, авт./сут | |||||
| Требуемый модуль упругости Етр, МПа | 233,3 | 236,6 | 241,0 | 245,9 | 251,2 |
| Общий модуль упругости Еобщ, МПа | |||||
| Коэффициент прочности Кпр | 1,20 | 1,09 | 0,97 | 0,86 | 0,76 |
Анализ 3ого участка дороги показывает, что капитальный ремонт нужно провести в следующем году.
Участок 4:
Таблица 2.2.5
| Год эксплуатации, год | |||||
| Интенсивность движения N, авт./сут | |||||
| Требуемый модуль упругости Етр, МПа | 233,3 | 236,6 | 241,0 | 245,9 | 251,2 |
| Общий модуль упругости Еобщ, МПа | |||||
| Коэффициент прочности Кпр | 1,07 | 0,97 | 0,86 | 0,77 | 0,68 |
Анализ 4ого участка дороги показывает, что капитальный ремонт нужен уже в этом году.
2.3. Расчет и назначение усиления конструкции дорожной одежды:
На трёх участках дороги дорожная одежда не соответствуем по прочности. Следовательно, было принято решение о её усилении асфальтобетонным слоем.
Участок 1:
Ен/Ев = 240/2400 = 0,1; Еобщ/Ев = 288/2400 = 0,12; hв = 0,15 · 37 = 5,6 см
На первом участке (0 ÷ 1,8 км) требуется уложить асфальтобетонное покрытие толщиной 5,6 см.
Участок 2:
Дорожная одежда соответствует по прочности.
Участок 3:
Ен/Ев = 280/2400 = 0,117; Еобщ/Ев = 288/2400 = 0,12; hв = 0,07 · 37 = 2,6 см
На третьем участке (3,7 ÷ 4,9 км) требуется уложить асфальтобетонное покрытие толщиной 2,6 см.
Участок 4:
Ен/Ев = 250/2400 = 0,104; Еобщ/Ев = 288/2400 = 0,12; hв = 0,14 · 37 = 5,2 см
На четвёртом участке (4,9 ÷ 6,0 км) требуется уложить асфальтобетонное покрытие толщиной 5,2 см.
2.4. Определение межремонтного срока до реконструкции дороги:
Сроком службы дороги является период в годах от начала эксплуатации до года реконструкции. Реконструкция дороги планируется тогда когда, эксплуатируемая дорога исчерпывает свои возможности по максимально возможной интенсивности движения, т.е. когда коэффициент интенсивности превышает единицу:
Кинт = Nф(т) / Nmax > 1 (2..4.1)
Nф(т) - интенсивность движения на «Т» год эксплуатации дороги, авто/сут;
Nmax - максимальная расчётная интенсивность движения для данной категории дороги: 3000 авто/сут. [4].
Nф(т) = N1 · qТ-1 (2.4.2)
N1 - интенсивность движения на первый год эксплуатации дороги: 1521 авт./сут;
g - знаменатель прогрессии роста интенсивности движения (1,017);
Т - год определения интенсивности движения (порядковый номер года от года сдачи дороги в эксплуатацию).
Все вычисления сводим в таблицу 2.4.1 и строим график для определения срока службы дороги до реконструкции.
Расчет сводится в таблицу.
Таблица 2.4.1
| Год эксплуатации, год | |||||
| Интенсивность движения Nф(т), авт./сут | 2095,209 | 2935,259 | 2985,158 | 3035,906 | |
| Коэффициент интенсивности, Кинт | 0,507 | 0,698403 | 0,97842 | 0,995053 | 1,011969 |
По полученным данным строим график определения срока службы дороги Nф(т) = f(Т).
Вывод: срок службы дороги составляет 41 год.