Конструирование и расчет дорожных одежд

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ТГАСУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

Тема: «Конструирование и расчет дорожных одежд»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр.___

Выполнил:  ___________

Проверил: ____________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2014

 

1. Природно-климатические условия района проектирования.

Климат Томской области ярко выраженный континентальный, влажный. Благодаря положению внутри континента, особенностям циркуляции и характеру рельефа рассматриваемая территория характеризуется суровой продолжительной зимой с сильными ветрами и метелями, устойчивым снежным покровом и коротким, жарким летом. Переходные сезоны короткие, с резкими колебаниями температуры. Согласно СНиП23-01-99 « Строительная климатология» район работ расположен в зоне I D.

 

1. Температурный режим.

Самым холодным месяцем в году является январь, самым теплым месяцем – июль. Среднегодовая температура: 0,9 °C. Безморозный период составляет 110—120 дней. Зима суровая и продолжительная, минимальная зарегистрированная температура −55 °C (январь 1931 года). Максимальная зарегистрированная температура +37,7 °C (июль 2004). Средняя температура января: −17,1 °C, средняя температура июля: +18,7 °C. В конце января и февраля бывают кратковременные оттепели до +3 °C, которые приносятся с циклонами из северной Атлантики. Смена сезонов происходит достаточно быстро, но наблюдаются возвраты к холодам и оттепелям. Значения абсолютных, средних, минимальных и максимальных температур приведены в таблице 1. Глубина промерзания составляет  для глинистых грунтов до 2,16 м;для песков 2,63; для торфяников от 0,5 до 0,9м в среднем - от одного до двух метров.

 

Таблица 1.

Показатель	Янв.	Фев.	Март	Апр.	Май	Июнь	Июль	Авг.	Сен.	Окт.	Нояб.	Дек.	Год
Абсолютный максимум, °C	3,7	7,1	17,7	26,5	34,4	34,7	35,1	33,8	31,7	25,1	11,6	6,5	35,1
Средний максимум, °C	−13	−9,6	−1,1	7,0	17,5	22,3	24,8	21,7	14,4	6,0	−4,8	−11,1	6,2
Средняя температура, °C	−17,1	−14,7	−7	1,3	10,4	15,8	18,7	15,7	9,0	1,7	−8,3	−15,1	0,9
Средний минимум, °C	−20,9	−18,9	−11,9	−3,3	4,7	10,5	13,7	11,1	5,1	−1,3	−11,4	−18,9	−3,5
Абсолютный минимум, °C	−55	−51,3	−42,4	−31,1	−17,5	−3,5	1,5	−1,6	−8,1	−29,1	−48,3	−50	−5

 

2. Атмосферные осадки.

По количеству выпадающих осадков район работ относится к зоне умеренного увлажнения.  Годовое количество осадков — 568 мм. Основная их часть выпадает в тёплый период года. Грозы бывают в Томской области в среднем 24 раза в год, начинаются в конце апреля и заканчиваются в октябре. Снежный покров. Интенсивная циклоническая деятельность благоприятствует значительному накоплению снега. Максимальные высоты снежный покров достигает во второй декаде марта. Согласно СНиП 2.01.07-35 исследуемая территория по весу снегового покрова относится к пятому району. Грозы достаточно сильные из-за серьёзного различия температур воздушных масс с Средней Азии и Севера Западно-Сибирской равнины с Васюганскими болотами (эти болота дают охлаждающий эффект в летнее время), их основная часть выпадает на вечернее время. Значения норм осадков приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Показатель	Янв.	Фев.	Март	Апр.	Май	Июнь	Июль	Авг.	Сен.	Окт.	Нояб.	Дек.	Год
Норма осадков, мм	35	24	25	34	41	61	75	67	50	55	52	49	568

3. Ветровой режим.

На большей части томской области в течении всего года преобладаю ветра южного направления.

Средняя скорость ветра 1,6 м/с, но в начале весны часто дуют сильные ветра с порывами до 30 м/с, всё это вызывается частой сменой циклонов и антициклонов и соответственным перепадом давления. Господствуют ветры юго-западного и южного направлений — около 50 %. Повторяемость скоростей ветра приведены в таблице 3. Розы ветров отображены на рисунок  1.

Таблица 3.

Средняя скорость ветра, м/с		Повторяемость различных градаций скорости ветра за год, %
За отопительный период	За три наиболее холодных месяца	≤ 1	2-5	≥ 8
4,7	4,8	29	46	13

 

Рисунок  1.

 

 

 

 

2. Дорожно-строительные материалы

 

Асфальтобетонная смесь - рационально подобранная смесь минеральных материалов (щебня, гравия, песка с минеральным порошком или без него) с битумом взятых в определённых соотношениях в нагретом состоянии

Щебень – каменный материал, полученный дроблением горных пород. Щебень должен иметь форму приближенную к тетраэдру или кубу. Массовая доля в щебне слабых зёрен и выветрелых пород не должны превышать 15%; зёрен пластичной и игловатой формы не более 35%; количество пылеватых и глинистых частиц не должно превышать 0,25% Щебень должен соответствовать требованиям ГОСТ 8267-93

Песок в дорожном строительстве применяют  природный и дроблёный, полученный путём дробления горных пород, в виде естественной смеси с крупностью зёрен меньше 5 мм. В песке не допускается комков глины, суглинка и других загрязняющих примесей. Песок должен соответствовать ГОСТ 8736-93

Битум органическое вяжущее, получаемое в результате переработки различных видов нефти. Битум представляет собой смесь углеродов и их неметаллических производных, главным образом кислородо-сернистых полностью растворимых в сероуглероде и бензоле. Битум должен соответствовать ГОСТ 22245-90

Минеральный порошок – полидисперсный тонкоизмельченный материал, по своей суммарной поверхности составляющий около 90%  поверхности всех минеральных составляющих асфальтобетона. Минеральный порошок для асфальтобетонных смесей приготавливают из известняков и доломитов марки не ниже 200, а также из известняковых и доломитовых асфальтовых пород  и основных металлургических шлаковых материалов

Минеральный порошок применяемый для асфальтобетонных смесей должен быть сухим рыхлым, влажность активированного минерального порошка должны быть не более 0.5%, а не активированного 1%. Минеральный порошок должен отвечать требованиям ГОСТ 16557-78

Гравийно-песчаная смесь характеризуется содержанием гравия и песка в смеси. В дорожном строительстве    применяются природные гравийно-песчаные смеси. В природной гравийно-песчаной смеси содержание зёрен более 5 мм должно быть не менее 10% и не более 95% по массе. Наибольшая крупность зёрен гравия в природной гравийно– песчаной  смеси должна быть не менее 10 мм и не более 70 мм. Зерновой состав гравия входящего  состав природной смеси, должен соответствовать следующим требованиям: Содержание пылеватых и глинистых частиц не должно превышать 5%. ГПС должна отвечать требования ГОСТ 25607-94 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Определение интенсивности движения

 

Категория дороги: III

 

Определение интенсивности движения.

 

,      (3.3)

 

где - коэффициент учитывающий число полос движения и распределение движения по ним (таблица 3.2[3]),

n – общее число различных марок транспортных средств в составе транспортного потока,

- число  проездов в сутки в обоих  направлениях транспортных средств  m ной марки,

- суммарный  коэффициент приведения воздействия  на дорожную одежду транспортного  средства m-ной марки расчетной нагрузки Qрасч. определяемого в соответствии с (приложение 1[3]),

 

=311

 

,    (3.4)

 

где - приведенная интенсивность на последний год срока службы, авт/сут,

- расчетное  число расчетных дней в году, соответствующих определенному  состоянию деформируемости конструкции (приложение 6 таблица П.6.1[3]),

- коэффициент, учитывающий вероятность отклонения  суммарного движения от средне-ожидаемого (таблица 3.3[3]),

- коэффициент  суммирования, определяемый по формуле

 

,       (3.5)

 

Kc=17,2

 

 авт.

 

 

 

 

 

 

4. Конструирование дорожной одежды

Расчётные характеристики грунта и материалов выбранного материала дорожной одежды сведены в таблицу 3.1

 

 

 

Расчётные характеристики грунта и материалов дорожной одежды

 

№ слоя	Материал слоя	h слоя	Расчёт по допустимому упругому прогибу E, мПа	Расчёт по условию сдвиго- Устойчив. E, мПа	Расчёт на растяжение при изгибе
					E, мПа	R0, мПа		m
1	А/б плотный мелкозернистый БНД 60/90	5	3200	1800	4500	9.80	5.2	5.5
2	А/б плотный крупнозернистый БНД 60/90	7	2000	1200	2800	8.00	5.9	4.3
3	Щебень / битум	20	450	450	450
4	ГПС С7	36	180	180	180

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1 Расчёт дорожной одежды по  упругому прогибу

 

Конструкция дорожной одежды в целом удовлетворяет требования прочности и надёжности по величине упругого прогиба при условии

,          (3.7)

где -общий расчётный модуль упругости конструкции, мПа

  -минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции, мПа

-требуемый  коэффициент прочности дорожной  одежды по критерию упругого  прогиба

 

 

 

Определение величины минимально требуемого общего модуля упругости конструкции.

 

,     (3.8)

 

где с = 3.55 – эмпирический параметр, принимаемый равным для расчетной нагрузки на ось 100 кН.

 

= 213 МПа

Eобщ=249 МПа

 

Расчет по допускаемому упругому прогибу ведем послойно, по номограмме Рисунок 3.1[3].

1)

Еобщ/Е1=249/3200=0,08

 

h/D=5/37=0.14

 

Ен/Ев=0,06 (рис. 3.1[3])

 

Ен=Еобщ`=192МПа

 

2)

 

Еобщ/Е1=192/2000=0,10

 

h/D=7/37=0.19

 

Ен/Ев=0,07 (рис. 3.1[3])

 

Ен=Еобщ``=140МПа

 

 

 

3)

Еобщ/Е1=140/450=0.31

 

h/D=20/37=0.54

 

Ен/Ев=0,17 (рис. 3.1[3])

 

Ен=Еобщ```=76.5МПа

4)

Еобщ/Ев=77/180=0.43

h/D=0.99

Ен/Ев=26,3/180=0.15

 
h=0.99*37=36.6

Выбранная конструкция удовлетворяет условию прочности по допустимому упругому прогибу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Расчёт дорожной одежды на сдвиг подстилающего грунта в конструктивных малосвязанных слоях

 

Выполняется из условия  прочности по сдвигу в грунте земляного полотна

,

где -коэффициент прочности по сдвигу в грунте =1.0

T – расчётное активное напряжение сдвига в расчётной точке конструкции от действующей временной нагрузки

- предельная  величина активного напряжения  сдвига

Действующие в грунте активные напряжения сдвига вычисляют по формуле

,       (3.9)

 

Для определения предварительно назначенную дорожную конструкцию приводят к двухслойной расчетной модели.

где - удельное активное напряжение сдвига отдельной нагрузки, определяется по номограмме рис. 3.2 и 3.3[3],

p – расчетное давление от колеса на покрытие.

 

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляют по формуле, где значения модулей упругости материалов, содержащих органические вяжущие, назначаем по таблице п. 3.2[3].

 

,      (3.10)

 

где n – число слоев дорожной одежды,

- модуль  упругости первого слоя,

- толщина  первого слоя.

 

Ев=483.53МПа

 

По соотношениям Ев/Ен=483,5/26,3=18,4 и h/D=1.84

 

при φ = 18.80 с помощью номограммы (рис. 3.3[3]) находим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки

 

= 0.01 МПа

T = 0.006 МПа

 

 

 

 

Определим активное напряжение сдвига в грунте рабочего слоя:

,     (3.11)

 

где - сцепление в грунте земляного полотна = 2.95 МПа (приложение 2, таблица п. 2.4 [3]),

- коэффициент, учитывающий особенности работы  конструкции на границе песчаного  слоя и нижним слоем несущего основания, принимаем = 1 (стр. 34[3]),

- глубина  расположения поверхностного слоя, проверяемого на сдвиго-устойчивость, от верха конструкции = 68 см,

- средневзвешенный  удельный вес конструктивных  слоев расположенных выше проверяемого  слоя=0.002 кг/см3,

- расчетная  величина угла внутреннего трения  материала проверяемого слоя  при статическом действии нагрузки, принятая 18.80.

 

Тпр=0,05

 

Кпр=8,3>1, что больше (таблица 3.1[3]).

 

Вывод: конструкция удовлетворяет условиям прочности по сдвигу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 Расчёт дорожной одежды на сопротивление монолитных слоёв усталостному растяжению от растяжения при изгибе

 

В монололитных слоях дорожной одежды возникающие при прогибе одежды напряжение под действием повторных кратковременных нагрузок не должны в течении заданного срока службы приводить к образованию трещин  от усталостного разрушения.

Для этого должно быть обеспечено условие

 

,

где -требуемый коэффициент прочности с учётом заданного уровня надёжности

- прочность материала слоя с учётом усталостных явлений

- наибольшее  растягивающее напряжение определяют по формуле

,       (3.12)

 

где - растягивающее напряжение от единичной нагрузки при расчетных диаметрах площадки, передающей нагрузку,

- коэффициент, учитывающий особенности напряженного  состояния покрытия конструкции  под спаренным балом, принимают  равным = 0.85.

р = 0.6 расчетное давление, принимается по таблице п. 1.1 приложения 1[3].

 

Приводим конструкцию к двухслойной модели, где нижний слой модели – часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев, то есть щебеночное основание и грунт рабочего слоя. Модуль упругости нижнего слоя определяем по номограмме рис. 3.1[3].

 

Ен=Еобщ=140  МПа

Определяем модуль упругости верхнего слоя по формуле:

 

,      (3.13)

 

где n – число слоев дорожной одежды,

- модуль  упругости верхнего слоя,

- толщина  первого слоя.

 

Ев=3508 МПа

 

Модули упругости слоев назначены по таблице п. 3.1[3].

 

 

По отношениям:

 

Hв/D=12/37=0.32

 

Ев/Ен=3508/140=25,06

по номограмме рис. 3.4[3] определяем МПа.

 

8 МПа

 

Вычисляем предельное растягивающее напряжение по формуле:

при R0 = 8 МПа для нижнего слоя асфальтобетонного пакета (таблица п. 3.1[3])

 

VR = 0.1 (таблица п. 4.1[3])

t = 1.71 (таблица п. 4.2[3])

 

RN = R0 ∙ K1 ∙ K2 ∙ (1 – VR ∙ t),     (3.14)

 

где R0 – нормативное значение предельного сопротивления растяжению при изгибе, при расчетной низкой весенней температуре, при однократном приложении нагрузки (Приложение 3 таблица п. 3.1[3]),

K1 – коэффициент, отражающий влияние на прочность усталостных процессов,

VR – коэффициент вариации прочности на растяжение (Приложение 4[3]),

K2 – коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов = 0.9 (таблица п. 3.6[3]).

 

,      (3.15)

 

где m = 5.5 – показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя (Приложение 3 таблица п. 3.1[3]),

= 5.2 –  коэффициент, учитывающий различие  в реальном и лабораторном  режимах растяжения повторной нагрузкой, а так же вероятность совпадения во времени расчетной (низкой) температуры покрытия и расчетного состояния грунта рабочего слоя по влажности (таблица п. 3.1[3]).

 

К1=0,28

 

RN = 8 ∙ 0.28 ∙ 0.8 ∙ (1 – 0.1 ∙ 1.71) = 1,49 МПа

 

, что  больше чем Kтрпр = 1.0 (таблица 3.1[3]).

 

Вывод: выбранная конструкция удовлетворяет критериям прочности.

 

 

 

4.4 Расчет нежестких дорожных одежд на морозоустойчивость

 

В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных условиях: гидрологических и грунтовых. Наряду с требуемой прочностью и устойчивостью должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожной одежды.

 

zпр = 2,53 м – средняя глубина промерзания грунта в Томской области.

 

Определим величину возможного морозного пучения.

 

,     (3.6)

 

где = 6.17см – величина морозного пучения при осредненных условиях, определяемый по рис. 4.3[3] в зависимости от толщины дорожной одежды (включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени пучинистости (таблица 4.1[3]) и глубины промерзания zпр,

= 0.53 – коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или дополнительно стоящих поверхностных вод (рис. 4.1[3]),

= 1[7],

= 1.1 – коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (таблица 4.5[3]),

= 0.70– коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания (рис. 4.2[3]),

= 1,00– коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (рис. 4.6[3]).

 

=2,52 см

 

= 4.8 см – допускаемое для данной конструкции пучение грунта (таблица 4.3[3]).

 

Вывод: По данным расчета получено, что грунт земляного полотна не промерзает. Конструкция считается морозоустойчивой, так как соблюдено условие ≤ . Для уточнения требуемой толщины морозозащитного слоя расчет не выполняется.